非对称H桥五电平逆变器及其通用调制策略

1 引言

　　混合多电平逆变器的功率开关承受的电压应力不同，因此同一拓扑中可以采用不同的功率器件，充分利用了功率开关各自的优点。非对称h桥是混合多电平逆变器中最基本、最典型的一类拓扑，其半桥的功率开关可以分别工作在基频和高频pwm方式，与传统多电平逆变器相比，在输出相同电平数的情况下，减少了功率器件，降低了开关损耗［1，2］。本文首先对非对称h桥五电平逆变器进行了分析，利用其结构特点，提出一种通用的调制策略。最后以电容箝位型非对称h桥拓扑为实验平台，对所提调制策略进行了实验验证。

2 非对称h桥五电平逆变器

　　非对称h桥拓扑是混合多电平拓扑中最基本、最典型的一类拓扑，其半桥的功率开关可以分别工作在基频和高频pwm方式，与传统多电平逆变器相比，在输出相同电平数的情况下，减少了功率器件，降低了开关损耗。目前最具有实用价值的三种五电平非对称h桥有：双向开关非对称h桥、二极管箝位型非对称h桥和电容箝位型非对称h桥，分别如图1（a）、（b）、（c）所示。图1（a）的双向开关型五电平逆变器通过双向开关（s5和d1~d4）和h桥（s1~s4），将两个直流电源e的电压组合输出五电平交流电压；图1（b）为二极管箝位型五电平逆变器，其左半桥为二极管箝位型三电平半桥，右半桥为两电平半桥，而图1（c）为电容箝位型五电平逆变器，其左半桥为电容箝位型三电平半桥。

　　传统的多电平逆变器有三类：二极管箝位型、飞跨电容型、h桥级联型，附表为五电平逆变器单相所需功率器件对比表，与传统的三类五电平逆变器相比，前三类拓扑采用电压应力为1:1的功率开关，导致拓扑所需功率开关最多；图1的非对称h桥五电平逆变器混合应用电压应力比为1:2的功率开关，以较少的功率开关输出五电平电压，从输出电压电平数和所用功率开关数的角度来说，比前三类拓扑具有更大的优势。

3 通用调制策略

　　图1中的非对称h桥五电平逆变器已有的调制策略分别采用特定次谐波消去法［3］和方波-消谐波pwm合成调制策略［4］，前者在电机驱动场合的频繁宽调速范围过程中，开关转换时刻的查表值与真实值之间会存在一定的偏差，后者需要把高、低频功率开关的半桥进行分离调制，计算出高频功率开关半桥的调制波，增加了调制策略的复杂性。针对这些问题，本文提出一种对非对称h桥五电平逆变器具有通用性的调制策略。

　　3.1 通用调制策略原理

　　目前常用的“半桥”主要有三种类型：两电平半桥hb1、二极管箝位型n电平半桥hb2、电容箝位型n电平半桥hb3。而将这三类“半桥”进行有序混合，构成通用非对称h桥如图2所示。图中hbx’表示这个“半桥”相对于hbx以较少的耐高压功率开关工作于阶梯波调制方式，而hbx则以较多的低压功率开关工作于pwm调制状态，x为1、2、3，偶数m为直流电源的标么系数，输出电压的每个电平电压为e。非对称h桥的特点是，当pwm调制状态的半桥hbx的功率开关承受e的关断电压应力时，右半桥hbx’的功率开关承受的关断电压应力最大需达到me，限制了其功率开关只能为低频、耐高压器件。而图1中的三种非对称h桥五电平拓扑是图2的通用非对称h桥当m=1时的特例。

　　图2的通用非对称h桥的右半桥工作在基频方波调制时，其驱动信号与调制波的过零点同步。根据调制波所在正负区域的位置及左半桥hbx输出电压电平对应的开关状态，确定出基波周期内载波的分布状态。而3种类型的“半桥”中功率开关呈互补对，因此载波数量即为左半桥hbx的功率开关互补对数量，也就是直流电源的标么系数m。图3为非对称h桥拓扑的通用调制策略，载波cm、cm’根据输出电压电平对应的开关状态进行有序层叠分布。而正负区域内，载波层叠的位置需根据输出电平对应的开关状态决定，调制波vref与其所在的载波ci层进行分层、分区pwm调制，得到对应功率开关si互补对的pwm驱动信号，使得非对称h桥的uo输出与载波ci对应的pwm电平层。而在此时间区域内，其它功率开关均处于导通/关断状态。

3.2 非对称h桥五电平逆变器的通用调制策略

　　由图1的非对称h桥五电平逆变器的工作机理可得，非对称h桥的右半桥的功率开关均工作于基频，左半桥功率开关驱动信号为pwm互补对，例如图1（a）中功率开关s1、s5（或s2、s5）互补；图1（b） 功率开关s1、s3互补且s2、s4互补；图1（c）功率开关s1、s4互补且s2、s3互补。由图3的非对称h桥通用调制原理可得非对称h桥五电平逆变器通用调制原理如图4所示。非对称h桥五电平逆变器在调制波的正半周期内，需要2路垂直分布的载波c1、c2，调制波与这两路载波进行spwm调制，分别对应得到非互补功率开关s1、s2的驱动信号，使得五电平逆变器输出对应于载波c1、c2的两个pwm电平层1、2。右半桥s5的驱动信号由调制波的过零点决定。在调制波的负半周期内，载波交错分布到调制波的负区域，完成负半周期的spwm调制，输出pwm电平层1’、2’。

4 实验结果

　　为了验证非对称h桥五电平逆变器的通用调制策略，本文以单相电容箝位型五电平非对称h桥拓扑为实验平台，进行实验验证。直流母线电压e=20v，载波频率fc=2khz，调制波频率fm=50hz，调制度ma=0.95，rl负载，r=100ω，l=63ml。

　　图5为功率开关s1、s5驱动信号实验波形，功率开关s1~s4均工作于高频pwm状态，功率开关s5、s6工作于基频状态。图6为逆变器输出电压与箝位电容电压实验波形，uo为逆变器输出的五电平电压，uo为逆变器箝位电容电压，由于正、负半周期地对箝位电容进行充、放电，使得电容电压存在较小的波动，但通用调制策略使得箝位电容电压达到了较好的平衡。图7为逆变器输出电压与负载电流实验波形，il为负载电流（电阻r两端电压），rl负载使得负载电流具有较好的正弦度。

5 结束语

　　本文对三种非对称h桥五电平逆变器进行了分析，在此基础上提出一种对非对称h桥通用的调制策略，适用于三种非对称h桥五电平逆变器。最后，通过单相电容箝位型五电平逆变器实验平台，验证了所提方法的正确性与有效性。