1.4 SPWM多电平逆变器的基本单元分析法

自20世纪80年代以来，人们研制开发出了新型的多电平逆变器，各种电压型多电平逆变器相继被提出，其控制性能也得到了很大的提高。因此，它们已成为高压大功率逆变器的发展方向，并在大功率逆变器领域得到了广泛的应用。

在多电平逆变器的发展过程中，围绕着输出多电平电压波形的生成，人们研究出了多种主电路结构。并且随着研究的深入，新的多电平逆变器电路还在不断地出现。而且人们从研究中还发现，各种不同的多电平逆变器电路结构，具有各自不同的特点，可以应用于不同的场合。然而这些不同结构的多电平逆变器都是由多个单相半桥式两电平逆变器组成的，或者说是经过一定的简化以后组成的。按照这个设想，还可以研究派生出更多的新型多电平逆变器电路。为了便于说明，下面称组成多电平逆变器的单相半桥式两电平逆变器为“基本单元”。采用基本单元法分析多电平逆变器电路有两个好处：一是可以找到多电平逆变器与两电平逆变器之间的关系，便于对多电平逆变器进行物理与数学分析；二是有利于新的多电平逆变器的发现。

1.4.1 基本单元

如图1-3所示为单相半桥式两电平SPWM逆变器（也就是上面所说的基本单元），其中图1-3（a）为其电路图，图1-3（b）为其工作波形图。电路图中的电容Cd1=Cd2为直流电源E的直流分压电容，互补开关S1和S′1为基本单元的两个逆变开关。控制开关S1和S′1按照图1-3（b）所示的 SPWM波形工作，在输出端就可以得到交流输出电压 u。由图1-3（b）可知，u有两个电平（+E/2和-E/2），故称该逆变器为两电平SPWM逆变器。在电路中与开关S1和S′1反并联的二极管为反馈续流二极管，用于保证电流的连续性和双向导电性。

图1-3 多电平逆变器的基本单元

1.4.2 SPWM多电平逆变器的基本单元组成

多电平逆变器，是由如图1-3所示的基本单元通过串联或并联的方式组合而成的。下面以钳位式多电平逆变器中的二极管钳位式三电平逆变器和级联式多电平逆变器的基本功率单元，即单相全桥式SPWM逆变器（FBI或H桥）为例来进行说明，如图1-4中的图（a）和图（b）所示。如图1-4（a）所示的二极管钳位三电平逆变器是由两个基本单元的开关管，按照桥臂上下依顺序串联组成的。互补开关S1和S′1是一个基本单元，S2和S′2是另一个基本单元，两个基本单元的开关管在桥臂上、下依序串联后再加入钳位二极管（或钳位电容）进行了组合，以便于使两个基本单元的输出电压在桥臂的中点进行电压合成。通过对基本单元S1、S′1和S2、S′2的载波三角波进行移相180°的SPWM控制，就可以在桥臂的中点得到三电平交流电压的输出了，如图1-4中的图（a）和图（c）所示。

图1-4 二极管钳位三电平逆变器和单相全桥逆变器的基本单元组成

对于如图1-4（b）所示的级联式多电平逆变器的基本功率单元，即单相全桥逆变器（FBI或H桥），它也是由两个基本单元组合而成的，不过不是串联组合，而是并联组合，其中左桥臂的互补开关S1和S′1 是一个基本单元，右桥臂的互补开关S2和S′2 是另一个基本单元。通过对基本单元S1、S′1和S2、S′2的载波三角波进行移相180°的SPWM控制，就可以在两个基本单元桥臂的中点之间，得到三电平交流电压的输出了，如图1-4 中的图（b）和图（c）所示。

对这种三电平逆变器基本单元的组成分析也适用于五电平、七电平等多电平逆变器的组成分析。

此外，由图1-4（c）所示的SPWM工作波形图也可以看出，如图1-4（a）所示的二极管钳位式三电平逆变器和如图1-4（b）所示的单相全桥逆变器（FBI或H桥）所得到的输出电压波形是完全相同的，这就可以证明：二极管（或电容）钳位式多电平逆变器和由单相全桥逆变器（FBI或H桥）级联构成的多电平逆变器，在原理上并不存在什么差别，只是电路的构成形式不同，钳位式多电平逆变器多用了一些钳位二极管（或电容）而已。从这个意义上来看，级联式多电平逆变器要比钳位式多电平逆变器好，因为其所用的元器件少，造价低。同时图1-4（c）也可以证明：钳位式多电平逆变器和H桥级联式多电平逆变器可以采用相同的SPWM控制法，这个结论将在第2章中进行证明。

这里必须指明的一点是：前面所提到的两个名词，即“基本单元”和“基本功率单元”的概念是不相同的，它们的含义是有很大区别的。所谓“基本单元”指的是多电平逆变器电路的最小组成单元，实质上就是指单相半桥式两电平逆变器电路。它虽然是多电平逆变器电路的最小组成单元，但没有独立的直流电源，本身不能构成独立的电能变换输出级，因此它不能组成级联式多电平逆变器的一个级，只是多电平逆变器电路的一个最基本的组成部分。所谓“基本功率单元”指的是级联式多电平逆变器的2H桥或3H桥等，它是组成级联式多电平逆变器的一个功率输出级，是最基本的功率输出单元。它具有独立的直流电源，能独立地变换和输出功率，是组成级联式多电平逆变器的一个独立的功率变换输出级。基本功率单元（如2H桥、3H桥等）是由两个或四个基本单元电路组成的。

采用“基本单元”分析法是为了方便对多电平逆变器电路进行分析，并便于开发新的多电平逆变器电路。而采用“基本功率单元”分析法，只是为了分析级联式多电平逆变器的方便，以及便于找到新的控制方法和控制电路。