非對稱H橋五電平逆變器及其通用調制策略

　　混合多電平逆變器的功率開關承受的電壓應力不同，因此同一拓撲中可以采用不同的功率器件，充分利用了功率開關各自的優點。非對稱h橋是混合多電平逆變器中最基本、最典型的一類拓撲，其半橋的功率開關可以分別工作在基頻和高頻pwm方式，與傳統多電平逆變器相比，在輸出相同電平數的情況下，減少了功率器件，降低了開關損耗［1，2］。本文首先對非對稱h橋五電平逆變器進行了分析，利用其結構特點，提出一種通用的調制策略。最后以電容箝位型非對稱h橋拓撲為實驗平臺，對所提調制策略進行了實驗驗證。

2 非對稱h橋五電平逆變器

　　非對稱h橋拓撲是混合多電平拓撲中最基本、最典型的一類拓撲，其半橋的功率開關可以分別工作在基頻和高頻pwm方式，與傳統多電平逆變器相比，在輸出相同電平數的情況下，減少了功率器件，降低了開關損耗。目前最具有實用價值的三種五電平非對稱h橋有：雙向開關非對稱h橋、二極管箝位型非對稱h橋和電容箝位型非對稱h橋，分別如圖1（a）、（b）、（c）所示。圖1（a）的雙向開關型五電平逆變器通過雙向開關（s5和d1~d4）和h橋（s1~s4），將兩個直流電源e的電壓組合輸出五電平交流電壓；圖1（b）為二極管箝位型五電平逆變器，其左半橋為二極管箝位型三電平半橋，右半橋為兩電平半橋，而圖1（c）為電容箝位型五電平逆變器，其左半橋為電容箝位型三電平半橋。

　　傳統的多電平逆變器有三類：二極管箝位型、飛跨電容型、h橋級聯型，附表為五電平逆變器單相所需功率器件對比表，與傳統的三類五電平逆變器相比，前三類拓撲采用電壓應力為1:1的功率開關，導致拓撲所需功率開關最多；圖1的非對稱h橋五電平逆變器混合應用電壓應力比為1:2的功率開關，以較少的功率開關輸出五電平電壓，從輸出電壓電平數和所用功率開關數的角度來說，比前三類拓撲具有更大的優勢。

3 通用調制策略

　　圖1中的非對稱h橋五電平逆變器已有的調制策略分別采用特定次諧波消去法［3］和方波-消諧波pwm合成調制策略［4］，前者在電機驅動場合的頻繁寬調速范圍過程中，開關轉換時刻的查表值與真實值之間會存在一定的偏差，后者需要把高、低頻功率開關的半橋進行分離調制，計算出高頻功率開關半橋的調制波，增加了調制策略的復雜性。針對這些問題，本文提出一種對非對稱h橋五電平逆變器具有通用性的調制策略。

　　3.1 通用調制策略原理

　　目前常用的“半橋”主要有三種類型：兩電平半橋hb1、二極管箝位型n電平半橋hb2、電容箝位型n電平半橋hb3。而將這三類“半橋”進行有序混合，構成通用非對稱h橋如圖2所示。圖中hbx’表示這個“半橋”相對于hbx以較少的耐高壓功率開關工作于階梯波調制方式，而hbx則以較多的低壓功率開關工作于pwm調制狀態，x為1、2、3，偶數m為直流電源的標么系數，輸出電壓的每個電平電壓為e。非對稱h橋的特點是，當pwm調制狀態的半橋hbx的功率開關承受e的關斷電壓應力時，右半橋hbx’的功率開關承受的關斷電壓應力最大需達到me，限制了其功率開關只能為低頻、耐高壓器件。而圖1中的三種非對稱h橋五電平拓撲是圖2的通用非對稱h橋當m=1時的特例。