【原】一种基于倍压电路的七电平单相逆变器设计与仿真

摘要

西安工业大学电子信息工程学院、湖北汽车工业学院的研究人员付永升、黄海波等，在2018年第8期《电气技术》杂志上撰文，针对单电平逆变器输出电压总谐波失真大的问题，提出一种新颖的七电平逆变器拓扑结构。通过控制Mosfet的开关完成调节母线电压的功能，实现了七电平单相逆变器。

相比于传统的七电平逆变器本拓扑使用较少的开关管，并减小部分开关器件的电压应力有效降低了开关损耗，提高了系统的稳定性。同时本系统电压增益可达到3-30倍宽范围稳定增益，尤其适用于低输入电压下的逆变器。最终本文通过PSIM搭建仿真电路验证了系统的可行性。

随着环境污染严重、能源危机等问题的出现，发展新能源发电技术越来越多吸引了众多的研究学者。传统的逆变器采用两电平逆变，利用单一直流源通过对桥式链接开关管的PWM控制，其输出的正弦交流电含有较大的谐波分量。因此提出多电平逆变器（multilevel inverters, MLIs）的应用。

多电平逆变器可有效改善电能质量，降低谐波含量，目前多电平逆变器在电力电子应用中得到了全面的研究[1-3]。并且在开关器件使用中低压开关与高压开关相比较，低压开关器件可更好地处理高开关频率对系统带来的负面影响[4]。而低电压开关器件更适合于多电平逆变器，其可有效减小开关损耗，降低系统的电磁干扰（EMI）。以增大系统效率并提高系统的稳定性，尤其在高功率逆变系统中多电平逆变器具有更好的性能并应用广泛[5-6]。

传统的多电平逆变器有3种拓扑结构：①二极管钳位式逆变器（diode clamped multilevel inverters, DCMLIs）[7-8]； ②飞跨电容式逆变器（flying capacitor multilevel inverter, FCMLI）[9]；③级联H桥逆变器（cascaded H-bridge multilevel inverters, CHBMLI）[10]。级联H桥相比于二极管钳位式逆变器则需要较少的开关开可获得相同的电压等级。

然而实现多电平逆变需要多个外围电路，并且控制逻辑随着电平数的增多也会变的更为复杂。飞跨电容式逆变器与二极管钳位式逆变器相似，都需要额外的开关管及其开关状态[11]。然而以上多电平逆变器拓扑结构需要较高电压等级的直流母线电容及较多的器件，减小了系统的能量密度。因此，减少电容体积、开关管及外围电路的数量是多电平逆变器的一个新的研究热点[12-13]。

基于以上方面本文提出一种采用倍压电路的七电平逆变器。前级使用Boost升压电路输出稳定的直流电压，其次采用三级倍压电路，可使直流母线电为输入电压3/(1D)倍（D为Boost升压电路占空比）。相比其他逆变电路其控制简单，开关管的电压应力小、母线电容电压应力小有效的增大了系统的稳定性及其能量密度。

图1  本文提出的七电平逆变拓扑结构

图2  系统控制原理框图

结论

本文设计了一种针对直流输入电压较低时一种多电平并网逆变器。由于输入直流电压较低，因此采用了Boost与倍压电路相结合以提升母线电压至有效值。同时为使减小系统THD，采用七电平交替实现逆变功能。

由于输入电压小，因此开关管承受的电压应力小，不仅减小了开关管的开关损耗，同时还增加了系统的稳定性。最终通过PSIM搭建仿真模型通过仿真验证了系统的可行性。最后本拓扑结构不仅能适用于传统的多电平逆变器，更适合于低电压输入的逆变器，如光伏、超级电容等输出电压低的大储能系统。