第3章 H桥的SPWM级联叠加

SPWM逆变器的级联叠加是逆变器环保节能的重要手段。通过N个逆变器的级联叠加，可以达到扩容，消除某些低次谐波，或减小开关损耗的目的。

本章主要介绍2H桥、3H桥（包括钳位式多电平逆变器）的SPWM级联叠加的原理与方式，如IGBT-2H桥的SPWM级联叠加，IGBT-3H桥的SPWM级联叠加，IGBT-2H桥与IG-BT-3H桥的SPWM级联叠加，不同开关器件、不同直流电源电压的2H桥混合SPWM级联叠加，不同开关器件、不同直流电源电压的2H桥与3H桥的混合SPWM级联叠加，2H桥的三进制（3N-1）级联叠加，共用一个桥臂的2H桥二进制（2N-1）级联叠加，三相半桥式逆变器的SPWM级联叠加，开绕组双端供电SPWM级联叠加等。

3.1 H桥级联SPWM多电平逆变器的结构与特点

采用多电平逆变器的主要目的之一就是利用低压开关器件实现高电压输出，为此有两种解决办法：一是采用由开关器件串联组成的半桥式结构的钳位式多电平逆变器；二是采用由开关器件组成H桥，再由H桥级联叠加而成的逆变结构。虽然两者的结构形式不同，但逆变效果是相同的。钳位式多电平逆变器是采用一个高压直流电源供电，多个直流电容串联分压，并用钳位二极管或钳位电容将开关管上的电压钳位在一个直流电容电压上，来达到用低压开关器件实现高压输出的目的。这是一个很聪明的办法，但它的负作用是需要采用钳位器件，并且也带来了直流分压电容的均压问题。这就给钳位式多电平逆变器的应用带来了麻烦。本章将要介绍的H桥级联式多电平逆变器，是采用具有独立直流电源的2H桥或3H桥作为基本功率单元级联而成的一种结构形式，它不存在直流电容分压问题，因此也就不存在直流电容分压的均压问题了。SPWM级联式多电平逆变器的开关管的耐压，被限定在向它所在基本功率单元供电的独立直流电源电压上。将多个由独立直流电源供电的基本功率单元的交流输出侧串联级联叠加，就可以得到高压多电平SPWM电压输出了。由于各个基本功率单元的直流电源电压是相互独立的，它们之间没有直接的电联系，所以不存在均压问题。相对于钳位式多电平逆变器而言，H桥级联式多电平逆变器在SPWM控制上也简单了许多。这些优点是以增加市电输入变压器次级绕组和整流器的个数为代价的。在此基础上，级联式多电平逆变器也针对独立直流电源个数多的电路结构，发展了一些拓展和派生电路，可以在相同电平数的条件下，使独立直流电源的个数减至最少。

钳位式和级联式SPWM电路结构的对比如表3-1所示。

表3-1 钳位式与级联式SPWM电路结构的对比

与钳位式多电平逆变器相比较，具有独立直流电源的SPWM级联式多电平逆变器具有以下优点。

①对于m电平的逆变器，所需的2H桥个数和独立直流电源的个数为，输出相电压的电平数为m，输出线电压的电平数为2m-1。电平数越多，输出电压波形中的谐波含量越少。

②开关器件工作在基频状态，损耗小，效率高。

③当输出电平数相同时，该逆变器所用的元器件数目最少。

④当用2H桥作基本功率单元时，该逆变器容易实现模块化，易于扩展。

⑤因为该逆变器不是半桥结构，所以直流电压利用率高。

⑥由低压小容量2H桥级联组成，技术成熟、容易实现，比较适合7电平以上的多电平逆变器使用。

⑦容易使2H桥实现软开关，不需使用阻容吸收电容。

⑧不存在电容电压平衡问题，各开关管的导通时间相同。

⑨控制方法简单，每一个2H桥都可以独立进行控制。

⑩不用钳位二极管和钳位电容。

H桥级联式SPWM多电平逆变器也存在如下缺点。

①需要的独立直流电源的个数较多。但对于绿色变频器而言，需要使用多相输入整流变压器，以提高市电的输入功率因数，减少对市电电网的谐波污染，在这种条件下，独立直流电源的个数多的问题也就不是什么缺点了。

②在采用二极管整流器时，不易实现四象限运行。但当采用开关整流器时，这个缺点就不存在了。但开关整流器的成本要比二极管整流器的成本高。