2019年5月25日
第56卷第
Electrical Measurement & Instrumentation
电测与仪表
Vol. 56 No. 10May. 25,2019
H桥多电平逆变器的混合载波交叠式PAM控制
王龙飞，苏利捷，杨国超
(兰州交通大学自动化与电气工程学院，兰州730070)
摘要:为了增大逆变器的功率等级，改善输出电压的波形质量，提出了一种级联H桥多电平逆变器拓扑和与其相对 应的PWM载波调制控制策略。该方法是根据传统混合频率载波调制策略，采用了同相的交叠式三角载波调制，结 合了同相层叠式载波调制较好的消谐特点以及使高低压单元功率自然平衡的特点，使级联H桥多电平逆变器拓扑 结构不仅可以输出多电平，还能解决混合调制下的功率环流现象，而且逆变器模块化比较简单，可以使逆变器在输
出周期内功率达到自然平衡。以2个高低压单元为例，进行了仿真实验。实验结果验证了该逆变器结构和控制策 略的可行性。
关键词:级联H桥；同相交叠;三角载波;混合级联逆变器;功率均衡控制
DOI：10.19753/j. issnl001-1390.2019. 010. 022
中图分类号:TM464 文献标识码：A 文章编号：1001-1390(2019) 10-0134-06
The hybrid carrier overlap PWM control of H bridge multilevel inverter
Wang Longfei，Su Lijie，Yang Guochao
(
School of Electrical Engineering and Automation，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070, China)
to
improve the
power level of inverter，and
improve the waveform quality
Abstract ： In order of tlie outp
pological and corresjDonding PWM carrier modulation control strategy of cascade H bridge multilevel inverter is proposed in this paper. According to the traditional mixed frequency carrier modulation princijDle，this metliod adopted in phase overlap triangle carrier modulation，with a combination of good harmonic elimination characteristics of the in-phase cascadingtriangular carrier modulation pology H sure units as
bridge not an
and the advantages of each only
can
output t!ie
unit multilevel
structure，avoid mixed modulation
out.
The
experimental
power natural equililDrium，the cascade multilevel in
pow
modular inverter is simpler，which can be implemented in an output cycle power balance. Taking two high and low pres
example，the
simulation
experiment
was carried
inverter topology and its control strategy.
resu
Keywords ： cascade H bridge，overlap witii phase，triangular carrier，hybrid cascade inverter，power equalizing control
0引言
式（Phase Opposition Disposition，POD)、同相的层叠式
(Phase Disposition，PD)以及交替反相层叠H(Altema- tivv Phase Opposition Disposition，APOD)3 种情况，其中
多电平逆变器因适用于很多高中压大功率场所而 被广泛应用。早在1998年的IEEE APEC议会上，M.
D. Manjrkai•等人设计了混合级联的拓扑结构。当级
同相层叠式PD的方法能使输出的波形谐波含量最 少[3]。混合调制策略是指电压等级不相同的开关器件 在同一个结构中作业，并能合理地利用不同电压等级 功率器件的特点，但是在混合级联拓扑中应用这种调 制策略时，低压单元功率环流问题会存在于某些调制 比区间内[5]。
为了促进混合级联拓扑的发展和实用化，有必要 对混合多电平结构的研究和调制策略的改善提出新要
联H桥模块固定后，输出电平的多少将由逆变器直流 侧电压决定[1]。混合级联拓扑受到很多的关注，是由 于它可以利用直流电源和开关器件的组合输出较多的 电平，还可以改善输出波形的谐波特性。混合级联多 电平逆变器是由不相同的直流侧电源、调制方法、开关 器件和拓扑结构串联构成的系统[2]。混合调制中，根 据每层载波不相同的相位，分成正负是反方向的层叠
—134 —
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求，对传统的混合级联结构和控 进行改进。文献[2]提出一种可以防止输出基波电压极性是相反的
，进 了功率 的 。但是在高频部分高压单元 了 PWM控制，这 输出波形谐波特性变差。文献[4]计了一种新型的三相级联
电
变器的组合结构，并分析了其工作原理。文
献[50]都提出了解
压部分的功率
问题，但高
压部分在此情况下高频 ，这在一定程度上 了
高压H桥的开关损耗。为了维持甚至 输出电压波质量，可以提高低压单元的开关频率或等效开关频 率，这就需要引人多个载波进行调制。文中提出了一种级联H 变器的结构，结合应于混合级联多电 的单级性层叠载波调制策，使高压单元的两
工作在单
频SPWM状
。此方式使级联单元输出电压的极性 保持一，并应 于 的基于载波交叠式PWM调制，方法在高压单元工作频率较低的情况下，对调制，以 输出电压的波形质量。这种同相三角载波交叠的PWM控制方法，同时 高低压单元级联功率均衡分配的优点和同相层叠三角载波控 好的消谐特点。以2个高低压单元为例， 结果来验证该控制方法的可行性。
1级联H桥拓扑及混合交叠式PWM调制1.1 级联7电平拓扑及：单元拓扑
混合级联多电
变器
由多个H桥单元组
成，单元1是高压单元，其直流侧电压是 H桥单元直流侧的2倍。H 单元的开关器件都是由IGBT和 二极管组成，其中，高压单元采用耐压较高的高压IG-
BT和
管;S 关器件，2个H 变器串联，可以构成输出为7电的逆变器;有±3(、±2(和〇共7种电平见图1(a)。这种结 良好的级联特性，根据输出电平的
，可以
个H桥单元进
行级联，方便器件的 和维护。
:单元个H桥级联的多电平逆变器的结构如图1 (M)
。
在：单元多电 变器 中，单元1直流测输人电压为2(，其他串联的H桥单元直流侧输人电压都 (。输人电流为！、！、…、！，由于逆变器单元是串 联的，因此各单元输出电流相等且可以 小为！。
则逆变器总输出电压；可
$
;=2( + (:- 1)(
(1)单元1
⑷2单元结构b单元1
（) m
单元结构
图1 H桥级联多电平逆变器拓扑
Fig. 1 H bridge cascade multi-level inverter topology
:个单元的H桥逆变器级联构成的总输出电平数
W可
$
W = 2：+ 3
⑵
文中主要 两个单元串联的结构，此结构可以
输出7个电平，具体采用的逆变器开关 输出电合成原理如下:单元1是直流侧电压为2(的H 变器，可以称为高压单元器件，单元2称 压单元。
采用的控
如表1
，从中可以看出，当级
联总输出电平为（和-时，高低压单元各会有两种输 出电平的情况。其中若高压单元输出2(或-2(，低压 单元输出-(或（这样会导致输出电平极性相反，从 出
率环流的问题。
表1 级联7电平输出合成原理
Tab. 1 Principle of synthesis of seven levels of
electrical output
级联单元输出；
高压单元输出；
低压单元输出；
3(2EE2(
2E0
E
0或2EE
或-E
0
00
-E0 或-2E
-E
或E
-2E-2E0
-3E
-2E
-E
* 135 *
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为了解决上述问题，所采用的控制策略是：当级联 单元总输出（和-(时，高压部分输出为〇， 压部分输出两个低电 （或者-(。这种控
两
单元输出电 性是相同的，在调制波 的周高低压部分都 出现负的基波电压，
在调制波负的周
高低压单元
出
的基波电压，
单元 就 了出 流的现象。1.2 混合载波交叠式PWM调制原理
混合载波交叠式调制的方法原理如图2(a) ，中针对高低压单元采用了
的三角载波调
：
，从中可以看出：8j1、8j2分 三角、交三角的载波，8refS调制波。混合频率载波调制法的三角载 波共有！层，其中输出低电平的交叠三角载波有4层， 输出高电平部分明显的有2层。
由图2(a)可以看出，低压单元在区间[-1，1]、 [2,3]和[-2, -3]采的是交叠式载波调制;高压单 元在
[1，2]和[-1，-2]采的是单层的载波调
，利载波层数的 ，使高压单元工作在频率较低
的情况。图2(b)是
经过混合载波PWM调制输出
的电压波形，图中可以看出电压波
负
三个阶
，上〇电 成输出是）电的电压波形。结合
混合载波调制中的单级性倍频WPWM调制方法，可以 高低压单元的等 关频率 。如 3 单级倍频SPWM调制原理，图中调制波8rei和-8rei都通 过三角载波进行调制，是利用H桥单元的上下两个桥 分别对正负两个调制波进行调制，等 关频率是
载波频率的两倍。采这种倍频调制的优点是上下两
个
对应的开关管
工作，
了电流短路。
(a
)三角载波交叠式调制原理图
图2 混合式载波交叠式调制原理图及输出电压波形
Fig. 2 Hybrid carrier interstack modulationschematic and output voltage waveform
—136 —
(a
)正负两条调制波调制原理图
0
0.005
0.01
0.015
0.02
(b
t/s
)正的调制波输出电压波形
0
0.005
0.t/s
01
0.015 0.02
(1)负的调制波输出电压波形
图3 单级性倍频SPWM调制原理图及输出电压波形
Fig. 3 Single-stage frequency multiplication WPWMmodulation schematic and output voltage waveform
这种单级倍频调制再结合载波交叠式PWM调制 方法，对输出低电平的控制，可以使输出的电压
良
好的波形质量，可以提高逆变器的功率等级。与混合 频率载波相同，此调制控 是分为高压单元调制和压单元调制两个部分，逆变器总输出电压为两个H 单元的输出电压之和。混合载波交叠式PWM控制 的调
如下：
(W - 1) _ch
式中W为电平数，而低压部分的载波层幅值和 高压部分的载波层幅值相等，即
Z
。调信
号8ref，：是调制比。
此时高压单元工作在低频方式，可以承受比较高 的电压应力，为了 总的输出电压的波形质量，使低压单元工 的频率 高， 以 了层 交 式的三 载波。这种方法合
提高了低电压单元的等 ‘
关频率，能在 程度上减少输出电压的谐波含量，因
此 提高输出电压的波形质量。
2混合载波同相交叠式PWM仿真及结果 2. 1 低压单元的调制
压单元的调制如图4(a)所示，图中所示U为标
幺值，采的是交叠式的PWM法进行的调制。从中
可以看出，有三个三角波进行交叠调制，每个载波互相
交叠1/2个峰值，输出的电压波形是三个输出波形合成 的。具体调制原理分析:调制波分为8和-8正负两条，
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通过三个三角载波8^、8^、-8^进行调制。因三角 载波的个数 了,相当于低压单元工作在高频的环境
下。其中，在前半个周
，8与三角波8eel的一部分
较，再
a。。进行比较的结
；同时，-8与8ji负
的一部分和分进行比较的结
，8与-8两
部分调制结 ， 半周期工作原理一致，最4(b)的方波。低压单元H 关管工作原理:因为 三个三角载波调制时开关管动作条件相同，具体分析其 中一'个，以8。1为例。当调制波81>#，且81> 8cel，W2l、W24 为 on，否则为 off;当 8< 0， 8< 8cei，S22、Si3 on，否则
8;灰的是-8，和8的工作条件一致，通过H桥上
下两 ，使等
关频率是8。\"的2倍。在这里
交叠载波与单级性倍频调制结合,可以看做是优化的单 级倍频SPWM工 。而这种优化的单级倍频工作 方法，利 负调制波的 性,输出的调制波 具 稳定性。采交叠式的三角载波进行PWM调制，理 论上
调制后输出的方波的谐波含量，会优化方波
的谐波特性，在
结果分析中
体分析高低压单元
总的输出波形的谐波含量。
(a
)低压单元交叠式调制原理
0.005 0.01 0.015 0.02
(/)低压单元输出电压波形
图4低压单元载波调制原理图及输出电压波形
Fig. 4 Carrier modulation schematic diagram andoutput voltage waveform of low pressure unit
2.2 高压单元的调制
高压单元的调制分为两部分，第1部分是对高电 的调制如图5(a)，中；
值,具体调制原理
分析:调波分为8h和-8h负两条,通过三角载波
8 J1进行调制。其中，在前半个周
，8h三波8。1
的一部分比较，同时，-8h 8。\"负的一部分进行比较,8h
两部分调制结
，后半周 工作
原理一致， 5(b)的方波。 关管动作原理是:当 8h > 0 时，且 8h > 8。\"，S\"i、SM 〇n ,否则为 Off;当8h <0 时，且 8h < 8。1 ,Si2、Si* on,否则为 off;灰的
是-8h,和压单元部分一样，采了倍频调制，8h和 _811在只桥单元通过三角载波 调制。因高压单
元适合工作在低频的
下，采用的三角载波是单层
的,并高低压单元是分开调制的，可以结合传统混合 调制方法，适当的改变载波的频率，以便提高输出的电 压波形质量。
n
.
iir
0.005
0.01
0.015
0.02
t/s(b
)高电平输出电压波形
图5 高压单元载波调制原理及输出电压波形
Fig. 5 Carrier modulation principle and output
voltage waveform of high voltage unit
由图1(a)可以看出，H 级联总输出为7电，需
要高低压单元输出电压串联，总输出是；和；之和。
这就需要高压单元输出的PWM波和低压单元输出的
PWM波进行串联,因此低压单元需要有一部分对高电
平的调制。第2部分是对部分高电平在低压单元的调
如图6(a) ,中8h#和-8h。是负两条调制波，
通过三角载波8。1进行倍频调制。调原理和H
关管的动作原
1部分PWM调
，这一部
分
压单元调制出的电压波形进行组合，通过逻辑运
(a
)低压单元对部分高电平调制原理
0.005
0.t/s01
0.015 0.02
(b
)低压单元对部分高电平输出电压波形
(C
)高低压单元总输出电压波形
图6低压单元对高电平调制原理及总输出电压波形
Fig. 6 Schematic diagram and output voltage waveform
of high voltage unit for low level modulation
—137 —
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算，再结合高压单元第1部分输出PWM波形，可以合 成总的输出电压波形如图6(c)。在 结果分析中
会加上具体的负载，并分 波形的谐波含量。
2.3仿真结果分析
在Matlab2014/Simulink平台上进行了仿真实验验 证。 数：高压单元直流侧是1个输入电压3 000 V的直流电源；低压单元直流侧是输入电压为 1 500 V的直流电源;正弦调制波频率/=50 Hz;三角载 波和交叠的三角波都是频率/ = 1. 5 kHz;负载X = 50 \"，2 = 3.4 mH;调制比：=0.9。
按照上面的参数设置 ，输出的波形具有
良好的波形质量，
结如图7(a)
。由图7(b)
可以看出，电压总谐波崎变率（total harmonic distortion， 写为THD，符号为AThD)大约8. 32\\，其中横坐标 _
谐波电压含有率。逆变器输出波形的谐波可以从频 出主要有两部分，分在高低压单元调制附近，高压单元附近的谐波含有率大约为3\\，低压单 元附近的约为5\\。通过 结果可以看出，运混合载波交叠式PWM调 ，确实
输出波形的谐
波含 。
Fundamental (50Hz) = 4051 , THD= 8.32%
0
2000
4000 6000 8000 10000
b
//(Hz
)
()逆变器输出电压相应的频谱图图7 7电平逆变器输出电压以及电压频谱图
Fig. 7 Output voltage and voltage spectrum of
the seven-level inverters
实际工作中，由于上下两 通断切换需要一定
时间，为了预防两个
导通造成短路，需要预先设置
一段 时间。高压单元由于开关工作时间较长，设
置延迟时 10'，低压单元延迟时 置为1'。图8 入迟时间进行
的输出电压波形以及电
压
频。按照文献[11]中的调制方法仍采用相同的
数， 7电 变器输出电压和频 如图9。和
9中
结果进行对比，谐波含有率_下了 4.77%，确实 了一定的波形质量。根据工作可以不必单
置输出滤波器，减少了一部分成
—138 —
，
了它的实用价值。
5,000-5,000
0.02
(a\"
考虑死区状态下7电平逆变器输出的电压波形
Fundamental (50Hz) = 4013 , THD= 8.47%2
0 III... 2000
Il I lnLilil
4000 ill
6000
11
,ii ,ii.
8000 10000
//Hz
(b)
考虑死区状态下逆变器输出电压相应的频谱图
图8 考虑死区状态下输出电压以及电压频谱图
Fig. 8 Output voltage and the voltage spectrum
diagram considering th e de ad zone state
Fundamental (50Hz) = 3983 , THD= 13.51%
承
64 2 00
lulji2000
lll
4000 llllll I llll.ll ll■6000 ■llll,lllll ,ll■,
//Hz
8000 10000
(b)逆变器输出电压相应的频谱图
图9
传统7电平逆变器输出电压以及电压频谱图
Fig. 9 Output voltage and voltage spectrum
of a conventional 7-level inverter
图10逆变器直流侧电流波形
Fig. 10 Inverter DC side current waveform
针对低压模块直流 出现负值而导致的高压模
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块向低压模块功率环流的问题
，采
前面
的控制
，
一个正负周
，级
联
H桥在进行高低压单元
PWM调
出现输出电
性相反的情况
。在级
联
7
电
结果中
，图1〇 H桥两单元直流侧电流
波形，从中可以看出，高
压单元直流侧的电流平均
值在整个输出周
都是正的
，这 直流侧电源一
直
在输出电能，
了出现功率反向环流的
，验证
了控
解决功率环流问题
。
3结束语
对
H桥进行级联控制，该结
以
的开关单
元和直流电源，输出 的电平，对率分
显
的
，减
了装置的成本
。结
合电路的结构特，采
单级倍频调
交
叠式PWM法结合
，提高了
高低压单元的开关频率
， 了输出波形的谐波含量，
了输出的电压波形，有
利于电能质
量的传输。仿
结
，H
级联结构和混合载波
交叠式PWM调
相结合的控
较好
，可
以输出全
PWM控制，
输出的电压波 良好的对称性
，很好的
了输出电压的波形质量， 了高低压单元出
现的功率环流
。
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作者简介：
王龙飞（1991一），男，硕士研究生，从事混合级联多电
变器的结构和控制研究。
Email ： 1743796976@ qq. com
苏利捷（1960—），男，副教授，从事电磁场理论与应用、电力电子技术方 面研究。
杨国超（1991 一），男，硕士研究生，从事电力系统与自动化方面研究。
收稿日期：2018-05-12;修回日期：2018-07-26
(王艳丽编发）
一 139 —
Zainal Sala
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