级联逆变器原理

PLECS 应用范例(19): 级联多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter）

PLECS 应用范例(19): 级联多电平逆变器（Cascaded Multilevel Inverter）

概述

本演示展示了三相级联多单元逆变器，其中每个单元子模块包含一个全桥。三个独立相支路单元被实现为模块化串联全桥串，每个由隔离直流电源供电。输出电压电平阶跃，以产生2n+1电平（−Vdc和+Vdc），其中n是单元数。较高数量的串联单元使逆变器硬件及其控制设计复杂化，但可以显著减少谐波失真，因此需要在输出端进行滤波。这提供了组件、成本和性能之间有趣的权衡。

PLECS库包含功率模块块，这些模块对于模块化实现非常有用，便于扩展以在多电平变流器应用中创建多个电压电平，并且具有开关和平均实现。平均配置特别适合高开关频率的实时仿真，例如硬件在环测试。它还可以提高离线模拟的速度，因为内部开关的数量大大减少。

模型

2.1 电源电路（Power circuit）

该电路是一个多电平电压源逆变器（VSI），具有三个支路，每相一个，每个支路包含一个带有IGBT和反并联二极管的H桥布置。每座全桥可生产−Vdc，0 V，+Vdc，取决于开关方案。通过串联多个全桥，每个相位的总输出电压是所有全桥单元输出的总和，可以生成多电平PWM输出电压波形。由于H桥本质上是一个包括0 V状态的三电平逆变器，因此串联添加的每个单元提供具有两个附加电压电平的逆变器输出波形。

在这种情况下，使用IGBT全桥功率模块组件。该块有两种配置：一种是开关配置，其中理想开关代表半导体；另一种是平均配置，使用受控电压和电流源。功率模块还具有串联逆变器单元数量的参数设置。电源模块和控制器的实现使得可以在顶层配置电池的数量，而无需使用额外的布线或组件扩展模型。

每个全桥由理想直流电压源供电，该值等于总直流母线电压除以每相级联单元的数量。这些模块充电到相同的电压，但实际上，如果用电容器代替电压源而不使用额外供应，当模块平衡时，系统具有很强的可扩展性。三相星形连接RL负载有助于降低电流输出纹波。

栅极的输出频率为50 Hz，由调制器的参考波形指定。电流幅值由负载决定，电压波形的谐波含量受每个逆变器支路串联单元数量的影响。

2.2 控制

级联多电平逆变器最常见的调制方案使用相移载波脉宽调制（PSCPWM）。PSCPWM是一种多载波调制策略，其中每个串联连接的单元有一个三角形载波，每个相移180°/n（其中180°指的是开关周期，而不是输出端的相移）。将所有载波与两个正弦参考波形进行比较，两个正弦参考波形分别对应于全桥的每个支路，并且相移180°彼此之间。低压侧开关选通信号与高压侧开关的信号互补，因此直流母线不会短路。可配置的停滞时间也可以延迟每个支路中开关对之间的开关转换。

仿真

使用提供的模型运行模拟以查看信号。观察输出电压为±600 V范围内的阶跃电压，阶跃数为2n（n=电池数量），加上0 V时的额外电平。打开PLECS范围内的光标，并将增量时间宽度设置为电网频率的基本周期（50 Hz=0.02秒）。然后查看输出电压波形的总谐波失真（THD）。通过使用模型初始化命令窗口中的ncells变量增加串联单元的数量，您将注意到电压波形的THD降低。串联的电池数量必须为6个或更多，以将THD含量减少到例如10%左右。

示波器的第二个图使用滤波器块获得调制输出交流电压波形的移动平均值。通过选择开关周期的平均周期（0.1 ms），我们可以滤除高频调制并看到600 VAC波形。无论串联模块的数量如何，该平均值都是恒定的。

现在，将模型初始化命令窗口中的停滞时间值更改为切换周期的1%（0.01/fsw），并运行新的模拟。每个支路中开关转换之间的这种消隐时间的影响是，与没有任何死区时间的操作相比，输出处的失真增加，平均电压降低。使用示波器观察电压信号的总谐波失真度和均方根值的差异，有无该过渡延迟。

最后，将串联单元的数量增加到8个，并运行新的模拟。模拟现在需要更长的时间才能完成，因为当开关以更高的频率调制以产生更多的输出电压电平时，会发生更多的开关事件。通过在模型初始化命令窗口中将conf更改为2，将电源模块配置更改为平均实现，然后再次运行模拟。这将使模拟速度提高两倍以上，同时获得与开关配置完全相同的波形。如果进一步增加串联单元的数量，则使用平均配置的速度增加的效果会更加明显。平均实现正确地解释了死区时间，因此仍然可以研究这种影响。注意，使用平均配置可能需要额外考虑，例如电池之间的电流隔离，以及控制信号是逻辑值还是占空比值。

以下是仿真模型顶层示意图：

结论

在PLECS组件库的功率模块中使用隐式矢量化概念可以轻松实现多级拓扑，例如三相系统中的级联全桥。这样，只需要一个基本的全桥单元就可以对具有可变单元数的模块化结构进行建模。功率模块的另一个优点是集成的子循环平均实现，允许在不改变模型结构的情况下研究控制器设计的平均变流器操作。

级联h桥(cascaded h-bridge, chb) sst 拓扑工作原理

级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）SST拓扑是一种基于多个H桥功率单元串联组成的高压大功率变换器结构，通过模块化级联实现高压输出和高质量波形控制。

一、基本结构

由N个相同的H桥功率单元串联构成，每个单元包含4个功率开关器件（如IGBT）和1个独立直流电源（或电容）。交流侧串联后直接输出高压，直流侧可独立供电或连接隔离型DC-DC变换器。

二、工作原理

1. 电平生成：每个H桥可输出三种电平（+Vdc、0、-Vdc），N个单元级联后可生成(2N+1)种电平，例如5单元级联可输出11电平，显著减少输出电压谐波。

2. 调制控制：采用载波移相SPWM（PS-PWM）或最近电平逼近（NLM）技术，各单元载波相位错开180°/N，通过叠加合成高频阶梯波，降低总谐波失真（THD<5%）。

3. 功率均衡：通过软件算法（如排序法、循环寻址）动态分配各单元开关状态，确保所有单元电容电压或功率损耗均等，避免个别单元过应力。

三、核心优势

•高压直接输出：无需工频变压器，单元串联自然耐受高电压（如10kV系统需12-16个单元）。

•模块化扩展：通过增加单元数量灵活适配不同电压等级（如35kV系统需24-30个单元）。

•故障冗余：单个单元故障时可旁路退出，系统降额运行，可靠性高。

•低谐波性能：多电平输出减少dv/dt和EMI，符合IEEE 519-2014谐波标准。

四、典型应用场景

中压变频驱动（矿山提升机、轧钢机）、电力电子变压器（PET）、光伏/储能电站并网变流器（如国家电投江苏公司2500V/1250kW光伏逆变器项目）、铁路牵引变流器。

华为逆变器电力载波通讯原理

华为逆变器电力载波通讯基于电力线载波技术（PLC），利用现有电力线路实现数据传输，兼具高效性与经济性。

1. 核心原理框架

通信过程分为三个关键环节：

•信号发出：逆变器内置的PLC STA节点生成原始数据信号，包含设备状态、发电量等信息。

•调制与传输：高频载波信号通过正交频分复用（OFDM）技术调制数据，经功率放大后，耦合至三相电力线。此过程需确保信号与电力工频50Hz互不干扰。

•信号解调与恢复：接收端（如通讯柜数采装置）滤除电力噪声，解调高频信号还原为可识别的二进制数据。

2. 实际组网架构

以光伏电站场景为例：

•逆变器端：作为PLC STA节点，将数据注入箱变母排引出的三相线路，利用相间电压差形成信号通路。

•通讯枢纽：Smartlogger（内置PLC CCO模块）通过级联拓扑管理多个STA节点，承担数据汇聚与协议转换功能，最终通过RS485/以太网接口上传至监控系统。

•抗干扰设计：华为采用动态阻抗匹配和自适应滤波技术，解决电力线负载波动导致的信号衰减问题。

3. 技术优势与适用性

相比传统RS485布线或无线方案，PLC技术：

•节省成本：复用电力线无需额外通信线缆，降低材料与施工费用；

•扩展灵活：新增设备接入时仅需就近连接电力线路；

•环境兼容：在光伏电站强电磁干扰环境中，PLC的抗噪性能优于常规无线传输。

低电压转高电压怎么实现

低电压转高电压可根据输入电压类型（交流/直流）、功率需求选择适配技术方案，主流实现路径分为升压变压器、开关型升压电路、电荷泵升压三类，适配不同应用场景。

1. 工频升压变压器方案

基于电磁感应原理，通过一次侧低压交流输入、二次侧更多匝数绕组实现高压交流输出。若输入为低压直流，需先通过逆变电路转换为交流后再接入使用。该方案功率范围宽、运行稳定可靠，缺点是体积重量大，仅支持交流输入场景，比如工业中将380V低压工业电升压至10kV配电电压，或是家用小型升压变压器将12V交流升压至220V交流。

2. 开关型升压电路方案

目前市场应用最广泛的升压方案，通过高频开关管控制电感等储能元件的充放电，实现直流电压提升，常见电路结构包括：

- Boost升压电路：基础直流升压结构，可将低压直流稳定提升至数倍输入电压，比如手机快充中将5V输入升压至9V/12V输出；

- 反激/正激变换器：支持隔离式升压，同时可实现交直流转换，常用于小型开关电源、车载12V转220V逆变器等场景；

- LLC谐振变换器：适合中大功率高效升压，比如服务器电源、光伏并网逆变器的升压环节。

该方案整体效率高、体积小巧，可适配直流输入的各类中小功率升压需求，需注意高频工作会产生电磁干扰，需搭配滤波电路优化使用体验。

3. 电荷泵升压方案

利用电容充放电串联实现升压，典型为多级倍压电路，通过多组电容与二极管串联循环充放电，将低压直流逐级提升至高压。优点是无电感元件、体积极小，适合低功率小体积场景，比如LCD屏幕背光驱动、小型静电除尘设备，但升压功率有限，多级级联会导致整体效率下降。

安全操作提示

高压电路存在触电、起火风险，非专业人员请勿私自改装或操作高压升压设备；涉及市电、工业高压的升压项目需符合国家电气安全规范，做好绝缘、防护与接地措施。

什么是载波移相

载波移相是一种特别适合于级联多电平逆变器的SPWM方法。其基本原理和特点如下：

基本原理：

在由n个H桥单元组成的单相级联多电平逆变器中，每个H桥单元都采用低开关频率的SPWM调制方法。

各单元的正弦调制波相同，但用n组三角载波分别进行调制。

这些三角载波具有相同的频率和幅值，但相位依次相差固定的角度。

特点：

由于各三角载波的相位依次相差固定角度，因此每个H桥单元输出的SPWM脉冲也错开一定的角度。

这种错开角度的调制方式大大增加了等效开关频率。

经过叠加后，逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波。

通过选择合适的移相角度，可以使输出电压的谐波含量大幅度减少，从而提高输出波形的质量。

载波移相方法在实现上相对简单，且能够显著提高逆变器的输出波形质量，因此在级联多电平逆变器中得到了广泛应用。

逆变电路的基本拓扑结构有哪几种

逆变电路的基本拓扑结构主要有以下6种：

1. 半桥逆变电路

- 由两个开关管和中点接地的电容分压电路构成

- 输出为方波或PWM波，需通过滤波获得正弦波

- 典型应用：中小功率光伏逆变器

2. 全桥逆变电路

- 使用四个开关管组成H桥结构

- 可输出纯正弦波，效率比半桥高约5%-10%

- 主流拓扑：家用并网逆变器（如华为SUN2000系列）

3. 推挽式逆变电路

- 需带中心抽头的变压器配合两个开关管

- 优势：开关电压应力低（仅为输入电压）

- 常见于车载逆变器（输入12V/24V DC）

4. 多电平逆变电路

- 通过级联H桥或二极管钳位实现多电平输出

- 谐波失真<3%（传统拓扑约5%）

- 高压场景：轨道交通牵引变流器

5. Z源逆变电路

- 集成阻抗网络实现升降压功能

- 可应对光伏阵列电压波动（如输入80-450V）

- 专利技术：美国密歇根州立大学2003年提出

6. 谐振逆变电路

- 采用LC谐振实现软开关

- 开关损耗降低40%以上

- 医疗设备专用：高频X射线电源（100kHz以上）

数据依据：

- 2023年《中国电力电子技术发展白皮书》

- Infineon IGBT7技术手册（2024版）

- 国家能源局NB/T 32004-2023光伏逆变器标准

两电平怎么变成三电平

将两电平变换为三电平，主要目的是为了获得更高质量的输出波形，降低谐波含量，并适用于更高电压等级的场合。

理解了这一目标后，我们来看看几种主流的实现方法。

1. 二极管钳位型三电平逆变器

这种方法通过引入多个钳位二极管对直流母线电压进行分压。其核心在于每相桥臂由四个开关管和多个二极管构成，通过控制开关管的不同组合，使输出端能产生正、零、负三种电平状态。它的优点是电路结构成熟，控制策略相对简单，因此在中高压变频等领域应用广泛。但其缺点是对钳位二极管的耐压和参数一致性有较高要求。

2. 飞跨电容型三电平逆变器

此方案采用飞跨电容来代替二极管实现电压钳位。飞跨电容在电路中起到存储和转移能量的作用，通过控制开关管的通断来改变其充放电状态，从而合成三电平输出。它的优势在于电容能自动平衡电压，对元件一致性的依赖较低。不过，额外的电容也增加了系统的体积和成本，并且其电压平衡控制本身也是一个技术难点。

3. 级联H桥型三电平逆变器

这种方法采用模块化设计，通过将多个能产生两电平输出的H桥单元进行级联。每个H桥单元使用独立的直流电源，通过叠加各单元的输出电压，最终得到多电平（包括三电平）波形。其最大优点是模块化程度高，易于扩展，非常适用于太阳能逆变器等需要多路独立直流输入的场合。当然，其缺点是需要多个隔离的直流电源，这在一定程度上增加了系统的复杂性和成本。

igbt组成的h桥功率单元和级联拓扑结构有什么不同？

IGBT组成的H桥功率单元和级联拓扑结构是两种不同的电路配置，它们在应用和性能上有一些区别。

1. H桥功率单元：

H桥功率单元是一种常见的功率电子器件配置，由四个IGBT组成的桥式电路构成。它通常用于电机驱动、逆变器和直流-交流转换等应用。H桥结构允许电流在不同方向上流动，通过控制不同IGBT的开关状态，可以实现正向和反向电流的控制，从而控制负载的电压和功率输出。

2. 级联拓扑结构：

级联拓扑结构是一种多级串联连接的电路配置，通常由多个单个H桥电路组成，并且这些H桥电路的输出通过串联连接。每个H桥电路都可以独立地控制输出电压和功率，通过级联连接，可以实现更高的电压或功率输出。级联拓扑结构常用于高功率应用，如电网逆变器和电力传输。

主要区别在于：

- H桥功率单元是由单个H桥电路组成，适用于单个电源和较低功率的应用。

- 级联拓扑结构由多个H桥电路串联连接，适用于较高功率和高电压的应用，可以实现更大的电压和功率输出。

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