多电平逆变器：车、航、空、航天电力系统

在大功率高电压应用场合，多电平逆变器越来越受关注。以下我们将就其应用于海上和水下运载器推进系统时的稳定性进行讨论。在之前所讨论的调速传动中，逆变器将输入的直流电压变换成可变的交流电压。但是由于电机输入端的电压变化率（du/dt）很高，电机定子绕组会出现绝缘故障，进而导致绕组层间出现大量的环流及电晕^［33］。此外，还会使电机出现轴承故障。在如推进系统一类的大功率应用场合，开关工作在高频时会产生相当大的开关损耗。

多电平逆变器是海上和水下运载器的重要调速传动系统组件。它可以合成输出波形使其具有更好的谐波频谱和更小的总谐波畸变（Total Harmonic Distor-tion，THD），它还可以在更高的电压等级下使用额定功率低的器件^［38］。随着多电平逆变器电平数量的增加，输出波形会有更多阶梯状的台阶，从而减小了谐波畸变。因此它是电力推进系统最有希望的候选者之一。多电平逆变器减小了每个开关器件的应力，大大减轻了电磁干扰问题。开关器件上应力的减小与电平数量成正比^［38］。

多电平逆变器已经演变出许多不同的配置，下面将对它们进行说明。

8.7.7.1 多电平二极管钳位逆变器

多电平二极管钳位逆变器也叫中性点钳位式（neutral point clamped，NPC）脉宽调制逆变器。如图8-28所示，它对各相开关采用不同的开关策略，使输出电压等级相对于中性点在＋/-U和0之间变化，就像一个复用器。背靠背连接的钳位二极管使输出电压保持阶梯状并为感性负载提供双向电流流通路径^{［39，40］}。钳位二极管可由可控开关（如晶闸管、GTO、IGBT）代替，以提高输出电压的频谱特性。增加钳位二极管的级数可以提高电压和功率水平。它是海上和水下运载工具提供高推进电力的板载发电系统的最佳接口^{［39，40］}。

图8-28 三电平二极管钳位逆变器

此外，在原有的拓扑结构上增加振荡电路可以显著地减小开关损耗。多电平二极管钳位逆变器有一个缺点：需要闭锁的钳位二极管电压随着电平增多而增多。

8.7.7.2 悬浮电容多电平逆变器

如图8-29所示在这种逆变器中，专门的电容代替了钳位二极管。这种拓扑结构中可以保持电容间电压的平衡，但同时控制悬浮电容电位需要复杂的控制策略^［38］。

也可以采用上述两种拓扑结构（二极管钳位和悬浮电容多电平逆变器）的混合，如图8-30所示。

图8-29 悬浮电容多电平逆变器

图8-30 混合二极管钳位和悬浮电容多电平逆变器(www.xing528.com)

8.7.7.3 级联单相H桥逆变器

在这种多电平逆变器中，几个单相全桥逆变器级联后与输入串联起来作为独立电压源或专门隔离的总线电容。以三相多电平逆变器中的一相为例，三个这样的单相逆变器连接在一起，通过这种形式消除了电容电压平衡的问题^［40］。

因此在这种情况下我们可得到2n＋1种电压等级，n为一条臂上级联的全桥逆变器的数量。例如，设独立电源电压为U，可以得到＋/-3V、＋/-2V、＋/-V和0V的电压。在这种拓扑结构中，基本不用增加结构的复杂性，我们就可以增加电平数量^{［38，40］}。这种结构惟一存在的问题是它需要多个专门的直流总线。因此在海上和水下运载器应用这种多电平逆变器很困难。虽然燃料电池或普通电池可以用作每级多电平逆变器的独立电压源，但是在大功率应用场合很难在输入端将逆变器背靠背级联起来与独立电压源串联。不过它可以用在有两个推进器的多推进系统中。与主流的单推进系统相比，多推进系统中单个推进的要求更低。

图8-31 混合H桥逆变器

8.7.7.4 混合H桥多电平逆变器

在H桥多电平逆变器中，我们可以灵活地增加电平数量。在这种类型的逆变器中，高电平我们采用GTO一类的高电压通断能力的开关器件，其工作频率为逆变器的输出基频；低电平我们采用IGBT一类的开关器件，其工作频率为逆变器的输出频率，如图8-31所示^［41］。

8.7.7.5 三相多电平逆变器

在海上和水下运载器的配电系统中可以通过三相多电平逆变器从主直流总线向用于电力推进的电机供电。电力推进电机每相有两个全桥单元串联。采用混合H桥可以获得较高的效率。采用适当的调制技术可以将正极性和负极性的输出电压加起来，从而为三相电机的每一相提供高压^［42］。

8.7.7.6 调制技术

脉宽调制（PWM）方法在每个半桥上用两个三角函数和正弦信号比较得到正极性和负极性的方波，以保证所有半桥都不会输出同样的极性。但是这种方法换相损耗和开关损耗很高^［42］。另一方面，方波调制技术基于负载均衡技术，它可以避免半桥功率分布不均。

但是这种方法同样存在每个桥臂的半桥开关损耗分布不均的问题。通过在每个桥臂从高电平变化到低电平时连续地对每个半桥以轮换方式采用方波调制技术，可以使开关损耗平均分布。可以看到当第一个轮换完成后一个半桥开断延迟了，同时另一个半桥开断超前了，它以另一个时钟周期和时序重复开断接通^［42］。在需要精确的转矩控制时，多电平逆变器采用矢量调制技术。

图8-32 海上和水下运载器中直流传动的应用