基于脉冲阶梯调制的级联型逆变器研究
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基于脉冲阶梯调制的级联型逆变器研究
杜少武，张秀青，安
（合肥工业大学安徽合肥
摘
芳
２３０００９）
要：脉冲阶梯调制（ＰｓＭ）是将脉宽调制（ＰｗＭ）与阶梯调制（ｓＭ）相结合，起初应用在高压直流电源系统中。将脉冲
阶梯调制技术应用到逆变器领域，提出了基于脉冲阶梯调制的级联型逆变器。介绍了级联逆变器的基本拓扑，分析了ＰＳＭ级联型逆变器的工作原理，研究了ＰＳＭ的调制算法。该级联型逆变器具有电路结构简单、控制方法简便、开关损耗小、效率高等优点，适合高压大功率场合。建立了６模块的ＰＳＭ级联型高压逆变器（可获得有效值为４ｋＶ的输出电压）的Ｍａｔｌａｂ仿
真模型进行分析，给出仿真结果。仿真结果表明，ＰｓＭ级联型高压逆变器的输出波形特性好，谐波含量和ＴＨＤ均很小。
关键词：阶梯波调制；脉冲阶梯调制；级联型逆变器；高压大功率中图分类号：ＴＭ４６
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
文献标识码：Ａ
文章编号：１００４—３７３ｘ（２００８）０７—１７１—０３
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（ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｆｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏＩｏｇｙ．Ｈｅｆｅｉ，２３０００９．Ｃｈｉｎａ）
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引
言
调制（ＳＭ）技术相结合，应用在高压直流电源系统中。该技术具有控制简单，高可靠性、高效率等优点ｍ８１，可获得更高的输出电压且连续可调、更大的输出功率ｍ。“。将ＰＳＭ技术引入级联型逆变器，将使级联型逆变器的控制更加简单可靠。
２２．１
级联型逆变器是出现最早的一种多电平逆变器。１９７５年Ｐ．Ｈａｍｍｏｎｄ提出了采用隔离的直流电源作输入，输出端串联的多个Ｈ桥级联型逆变器结构，并申请了美国专利口’２］。后来Ｐ．Ｗ．ｈａｍｍｏｎｄ，Ｆ．Ｚ．Ｐｅｎｇ等人发现级联型逆变器在电动机驱动应用中的优越性［３棚，由于中等电压、高功率的需要，级联型逆变器在２０世纪９０年代后期得到了广泛应用。级联型逆变器广泛应用于高电压的电动机驱动、大功率电源、大功率有源电力滤波等场合。
最先，级联型逆变器的研究主要集中在单电平（每个级联单元是单电平）级联逆变器，近年来主要集中在三电平（每个级联单元是三电平）级联逆变器与单电平、三电平混合级联逆变器［ｓ…。三电平逆变器需要考虑电压均衡和中性点飘移等问题［６Ｊ１，使得三电平逆变器结构复杂化。
脉冲阶梯调制（ＰｕｌｓｅＳｔｅｐＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ＰＳＭ）技术最早是由瑞士的ｗ．Ｓｃｈｍｉｎｋｅ于１９８５年在ＢｒｏｗｎＢｏｖｅ“Ｒｅｖ．７２上提出的［９］。他将脉宽调制（ＰＷＭ）技术与阶梯
ＰＳＭ级联型逆变器的基本结构与工作原理基本结构
．
ＰＳＭ单相级联型逆变器的基本结构与基本的单相级联型逆变器相同，由竹个Ｈ桥单元模块串联而成，如图１所示，每个单元模块的结构相同，为单相Ｈ桥ＤＣ／ＡＣ变换器，输入直流电压相等，即Ｕ嘣一ＵＤｃ。
２．２
工作原理
假设第１个模块工作在ＰｗＭ模式，第２～打个模块
工作于ＳＭ（阶梯波调制）模式。逆变器工作分为正半波工
作过程和负半波工作过程，考虑到工作在ｓＭ模式下的各
单元模块的功率均衡问题，使工作在ＳＭ模式下的各单元模块在一个周期内工作时间一样或基本一样，可使２～ｎ模块在正半波时按从２到ｎ的顺序依次开通而在负半波时
收稿日期：２００７—１０一１１按从，ｚ到２的顺序依次开通，如图２所示。
１７】
万方数据
图１单相级联型高压逆变器主电路拓扑
图２ＰＳＭ级联逆变器的输出电压波形
假设每个模块单元的输入直流电压均为ＵＤｃ，则ＰＳＭ单相级联型逆变器的输出电压为：
．
‰＝（ｉ一１）‰＋ａ【，Ｄｃ
式中：ｉ为任一时刻参与工作的模块数；口为ＰＷＭ波的瞬时占空比。
３脉冲阶梯调制（ＰＳＭ）法
级联型逆变器的调制方法主要包括阶梯波调制法、多载波ＳＰＷＭ、相移ＳＰＷＭ和空间矢量调制。多载波ＳＰ— 