多电平逆变器分类：原理与应用探析

1.钳位式多电平逆变器

这类逆变器拓扑结构类似于钳位式三电平逆变器，桥臂由多个开关器件串联，由二极管或电容进行钳位，目前多用二极管钳位式，图6-2所示为二极管钳位式五电平逆变器。

图6-2 二极管钳位式五电平逆变器

二极管钳位式多电平逆变器具有下列特点：

1）除0电位、（N-1）E外，其余电位被二极管固定在直流电压的某一分压值上。

2）M电平逆变器，直流侧需（M-1）个电容，能输出M电平相电压、（2M-1）电平线电压。

2.功率单元串联式多电平逆变器

功率单元串联式多电平逆变器，由多个低压功率单元串联叠加而成，其结构如图6-3所示，以达到高压输出。各功率单元由一体化的输入隔离变压器的二次侧分别供电（以低压形式输出），由若干个低压变频功率单元以输出电压串联方式来实现高压输出。功率单元为三相输入单相桥输出，其结构如图6-4所示。每个功率单元在结构上完全一致，可以互换。由于功率单元是基本的交-直-交单相H形逆变桥，故此种逆变器也称为H桥型或桥联型逆变器，有些文献也称之为级联型逆变器。

设图6-3中每相有N个功率单元串联，则输出相电压所含电平数为（2N+1），输出线电压所含电平数为（4N+1）。N电平逆变器所需的独立直流电源和单相逆变器桥的数目均为（N-1）/2。

图6-3 功率单元串联式多电平逆变器结构

图6-4 功率单元结构

按此推论，当每相功率单元N=1时，为三电平，等同于二极管钳位式三电平逆变器；当N=2时为5电平逆变器，余类推。故功率单元串联式逆变器的输出电平为3、5、7…但功率单元串联逆变器是按每相所用单元数分类，分为2单元、3单元、4单元等（一般不按电平数分类）。(www.xing528.com)

图6-5所示为3单元逆变器主电路拓扑结构。每个单元分别由输入隔离变压器的一个二次绕组供电。隔离变压器共有9个二次绕组。各功率单元及其绕组相互绝缘，且对地有足够的耐压。功率单元中的IGBT采用低压器件（1500V），二次绕组电压为690V，输出0～690V可调电压和0～120Hz的可调频率，具有统一的结构。每个功率单元承受全部的输出电流，但仅承受1/3的输出相电压和1/9的输出功率。总的谐波电流畸变率可低于3%，功率因数可达0.95以上，可不必采用输入滤波器和功率因数补偿器，节省了开支。

图6-6所示为一个较复杂的五单元H桥逆变器，变频器的总谐波电流畸变率可低于3%，功率因数可达0.95以上，也可不必采用输入滤波器和功率因数补偿器，逆变器输出电压达6～10kV，容量达7200kVA。

图6-5 3单元逆变器主电路拓扑结构

图6-6 五单元H桥逆变器

功率单元串联式逆变器有如下特点：

1）主电路由相同的单相逆变器桥组成，可以互换，因此便于实现电路的模块化设计和封装。

2）不需要钳位，不存在钳位二极管和电容引起的电压不均衡的问题。

3）输入功率因数高（0.95以上），谐波小，共模电压干扰小[见注1]对电网的污染小，被称为“绿色产品”。

4）需要多个相互隔离的独立电压源，供电系统设计比较复杂。

5）效率较低，成本较高，占地较大。

6）不适于四象限运行和直接转矩控制系统应用。