基于H桥的四电平逆变器拓扑结构及该拓扑结构的载波调制方法

摘要

基于H桥的四电平逆变器拓扑结构及该拓扑结构的载波调制方法，涉及基于H桥的四电平逆变器拓扑结构和拓扑结构的载波调制方法。解决了现有逆变器拓扑结构由于器件数量多和四电平逆变器拓扑结构的载波调制方法复杂，导致结构稳定性低的问题。该拓扑结构包括直流侧、开关组合电路和逆变侧，直流侧和逆变侧通过开关组合电路连接。该拓扑结构的载波调制方法为：首先将三个频率相同且幅值相等的三角波载波分别与一个基准正弦波进行比较，得到三个脉冲信号A

说明书

技术领域

本发明涉及基于H桥的四电平逆变器拓扑结构和基于H桥的四电平逆变器拓扑结构的载 波调制方法。

背景技术

多电平逆变器相对于两电平逆变器具有器件电压应力低、输出电压更接近正弦波、电压 总谐波畸变率（THD）低、器件的开关损耗小、输电效率高、系统电磁干扰（electromagnetic  interference，EMI）小等优点，在中高压大功率应用领域多电平功率变换器成为研究的一个热 点。基本的多电平拓扑结构归纳起来有3种：H桥级联型、二极管钳位型和飞跨电容型。H 桥级联型的每个模块都有一个独立的直流电源，系统成本高，体积大且设计困难；飞跨电容 型拓扑结构中每一相桥臂都需要跨接一个电容，开关损耗较大；其中二极管钳位型（neutral  point clamped，NPC）多电平逆变器由于结构简单，无需复杂变压器而得到广泛应用。它通过 串联的二极管将直流侧的高电压分成一系列较低的电平电压，用低压器件实现高电平输出。 目前，常用的单相多电平逆变器主要是单相中点钳位电压源型三电平逆变器，如图4所示， 它是由一个三电平桥臂和一个两电平桥臂组合而成的，经二极管钳位实现三电平输出，之后 提出的单相五电平、单相七电平都是在此基础上增加钳位二极管和电容数目实现的，图5所 示的为二极管钳位式五电平逆变器拓扑结构电路原理图，可以看出，随着电平数增加，其所 需钳位二极管数目成陪增多，增加了系统成本和控制复杂度，此外，大量的器件降低了逆变 器的可靠性，从而限制了多电平逆变器技术的应用。

发明内容

本发明为了解决现有的逆变器拓扑结构由于器件数量多和四电平逆变器拓扑结构的载波 调制方法复杂，导致结构稳定性低的问题，提出了基于H桥的四电平逆变器拓扑结构及该拓 扑结构的载波调制方法。

基于H桥的四电平逆变器拓扑结构，它包括直流侧、开关组合电路和逆变侧，所述直流 侧包括直流电源、一号分压电容、二号分压电容和三号分压电容，一号分压电容、二号分压 电容和三号分压电容的参数相同，一号分压电容、二号分压电容和三号分压电容依次串联连 接之后并联在直流电源的输出端，并联后的电源组合为逆变侧提供直流供电电源，直流电源 的输出电压为V_in，逆变侧为H桥电路结构，开关组合电路包括一号开关组合和二号开关组合， 一号分压电容与二号分压电容的连接点通过一号开关组合与逆变侧H桥的一个电压输出端连 接，二号分压电容和三号分压电容的连接点通过二号开关组合与逆变侧的H桥的另一个电压 输出端连接。

开关组合电路的一号开关组合和二号开关组合的结构相同，其中所述一号开关组合包括 五号开关管、六号开关管、五号二极管和六号二极管，

所述五号二极管的负极作为该一号开关的组合的一端同时与五号开关管的集电极和一号 分压电容与二号分压电容的连接点连接，所述五号二极管的正极同时与五号开关管的发射极、 六号二极管的正极和六号开关管的集电极连接，六号二极管的负极作为该一号开关的组合的 另一端同时与六号开关管的发射极和逆变侧的H桥的一个电压输出端连接。

逆变侧H桥包括一号开关管、二号开关管、三号开关管、四号开关管、一号二极管、二 号二极管、三号二极管、四号二极管、电阻和电感；

所述电阻的一端同时与一号开关管的发射极、一号二极管的正极、二号开关管的集电极、 二号二极管和一号开关的组合的另一端连接，电阻的另一端与电感的一端连接，

电感的另一端作为逆变侧H桥的另一个电压输出端同时与三号开关管的发射极、三号二 极管的正极、四号开关管的集电极和四号二极管的负极连接，

一号开关管的集电极同时与一号二极管的负极、三号开关管的集电极、三号二极管的负 极和直流电源的正极连接，

二号开关管的发射极同时与二号二极管的正极、四号开关管的发射极、四号二极管的正 极和直流电源的负极连接。

所述拓扑结构的载波调制方法的区别在于，它是由以下步骤实现的：

步骤一、将三个频率相同且幅值相等的三角波载波分别与一个基准正弦波进行比较， 得到三个脉冲信号A₁、B₁和C₁，所述基准正弦波的调制信号频率为50Hz，三角波载波频率 为基准正弦波的调制信号频率的整数倍；

步骤二、将步骤一中的基准正弦波直接与零电压进行比较得到脉冲信号D₁；

步骤三、将步骤一和步骤二中得到的脉冲信号A₁、B₁、C₁和D₁通过逻辑门计算获得八 个脉冲信号，该八个脉冲信号分别控制八个开关管的导通与断开。

有益效果：本发明中的逆变器拓扑结构省去了传统逆变器拓扑结构中常用的钳位二极管， 使拓扑结构的器件数量大大减少，降低了制作成本；同时，针对本发明的逆变器拓扑结构的 载波调制方法通过三个频率、幅值均相同的三角波载波与一个基准正弦波进行比较后，通过 逻辑门计算即可实现，非常简便，使拓扑结构的稳定性提高了5%以上。

附图说明

图1为基于H桥的四电平逆变器拓扑结构的电路结构原理图；

图2为基于H桥的四电平逆变器拓扑结构的载波调制方法的流程图；

图3为具体实施方式二所述的三个频率相同且幅值相等的三角波载波、一个基准正弦波 和四个脉冲信号的示意图；

图4为传统的单相三电平逆变器拓扑结构的电路结构原理图；

图5为二极管钳位式五电平逆变器拓扑结构的电路结构原理图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于H桥的四电平逆变器拓扑结构， 它包括直流侧、开关组合电路和逆变侧，所述直流侧包括直流电源E、一号分压电容C1、二 号分压电容C2和三号分压电容C3，一号分压电容C1、二号分压电容C2和三号分压电容C3 的参数相同，一号分压电容C1、二号分压电容C2和三号分压电容C3依次串联连接之后并 联在直流电源E的输出端，并联后的电源组合为逆变侧提供直流供电电源，直流电源E的输 出电压为V_in，逆变侧为H桥电路结构，开关组合电路包括一号开关组合和二号开关组合，一 号分压电容C1与二号分压电容C2的连接点通过一号开关组合与逆变侧H桥的一个电压输出 端连接，二号分压电容C2和三号分压电容C3的连接点通过二号开关组合与逆变侧的H桥的 另一个电压输出端连接。

本实施方式中的直流电源E的输出电压为V_in，且一号分压电容C1、二号分压电容C2和 三号分压电容C3的型号相同，每个分压电容两侧的电压均为V_in/3。

具体实施方式二、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所 述的基于H桥的四电平逆变器拓扑结构的区别在于，所述开关组合电路的一号开关组合和二 号开关组合的结构相同，其中所述一号开关组合包括五号开关管S5、六号开关管S6、五号二 极管D5和六号二极管D6，

所述五号二极管D5的负极作为该一号开关的组合的一端同时与五号开关管S5的集电极 和一号分压电容C1与二号分压电容C2的连接点连接，所述五号二极管D5的正极同时与五 号开关管S5的发射极、六号二极管D6的正极和六号开关管S6的集电极连接，六号二极管 D6的负极作为该一号开关的组合的另一端同时与六号开关管S6的发射极和逆变侧的H桥的 一个电压输出端连接。

具体实施方式三、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式二所 述的基于H桥的四电平逆变器拓扑结构的区别在于，所述逆变侧H桥包括一号开关管S1、 二号开关管S2、三号开关管S3、四号开关管S4、一号二极管D1、二号二极管D2、三号二 极管D3、四号二极管D4、电阻R和电感L，

所述电阻R的一端同时与一号开关管S1的发射极、一号二极管D1的正极、二号开关管 S2的集电极、二号二极管D2和一号开关的组合的另一端连接，电阻R的另一端与电感L的 一端连接，

电感L的另一端作为逆变侧H桥的另一个电压输出端同时与三号开关管S3的发射极、 三号二极管D3的正极、四号开关管S4的集电极和四号二极管D4的负极连接，

一号开关管S1的集电极同时与一号二极管D1的负极、三号开关管S3的集电极、三号 二极管D3的负极和直流电源E的正极连接，

二号开关管S2的发射极同时与二号二极管D2的正极、四号开关管S4的发射极、四号 二极管D4的正极和直流电源E的负极连接。

本发明所述的逆变器拓扑结构直流侧采用三个串联的直流电压源，整个拓扑结构不需要 任何钳位二极管，大大简化了逆变器的拓扑结构，降低了成本，同时也提高了逆变器工作的 可靠性。

设两个桥臂间的输出电压为V₀，则输出电压V₀共有±V_in、±V_in/3、±2V_in/3、±0八种电 平，输出电压V₀与开关管的开通情况的关系为：

具体实施方式四、结合图2和图3说明本具体实施方式，具体实施方式三所述的基于H 桥的四电平逆变器拓扑结构的载波调制方法，它是由以下步骤实现的：

步骤一、将三个频率相同且幅值相等的三角波载波分别与一个基准正弦波进行比较， 得到三个脉冲信号A₁、B₁和C₁，所述基准正弦波的调制信号频率为50Hz，三角波载波频率 为基准正弦波的调制信号频率的整数倍；

步骤二、将步骤一中的基准正弦波直接与零电压进行比较得到脉冲信号D₁；

步骤三、将步骤一和步骤二中得到的脉冲信号A₁、B₁、C₁和D₁通过逻辑门计算获得八 个脉冲信号，该八个脉冲信号分别控制八个开关管的导通与断开。

本实施方式所述三角波载波频率为基准正弦波的调制信号频率的整数倍，例如，三角波 载波频率可以为500Hz或5kHz等，所述三个三角波载波的幅值为1/3，处于最下面的三角波 载波的基准电压为0，处于中间的三角波载波的基准电压为1/3，处于最上面的三角波载波的 基准电压为2/3，基准正弦波的电压幅值为0.85。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的基于H桥的四电平逆变器 拓扑结构的载波调制方法的区别在于，步骤三所述的脉冲信号A₁、B₁、C₁和D₁通过逻辑门计 算获得八个脉冲信号，以及该八个脉冲信号对应控制的八个开关管和各个开关管导通时所对 应的逆变侧H桥的输出电平状态的关系为：