多電平逆變器
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
多電平逆變器的實例教程
一、前言
多電平逆變器，是一種新型逆變器。常規逆變器，在單橋臂上采用單個開關器件。多電平逆變器在單橋臂上包含多個串聯開關器件，能夠精細地控制輸出電壓。將逆變輸出的正弦波進行微分，微分數量越多，越接近正弦波。常見的多電平逆變器有三、五、七電平等。其功率開關元件工作在較低的頻率上，使功率元件的開關損耗減小，產生的電磁干擾較小，逆變器效率更高。缺點是需要用到更多數量的功率開關元件，對驅動調制以及測試驗證的技術要求更高。
電平逆變器的應用推薦低壓MOS系列，產品穩定，性能可靠，滿足惡劣環境工況下使用
二、多電平逆變器工作原理
橋式電路常見于普通二電平逆變器電路的一部分。通過上下兩個橋臂組成，實際應用中根據應用場景不同，分為單相和三相。MOS管Q1和Q2位于電壓源和地線之間，通過控制Q1和Q2的通斷，由中點輸出所需電壓。（見圖1）
二電平逆變器工作波形如圖所示，輸出電壓有兩個電平，當Q1導通，Q2關斷時為U（電壓源電壓），當Q1關斷，Q2導通時為0（接地電壓）。（見圖2）
二電平逆變器的拓撲線路
二電平逆變器每個橋臂中只有一個開關器件，而多電平逆變器每個橋臂中有多個開關器件串聯而成。（見圖3）
工作周期分別為Q1和Q2導通，Q2和Q3導通，Q3和Q4導通。輸出電壓有三個電平，Q1和Q2導通時為U，Q2和Q3導通時為U/2，Q3和Q4導通時為0。（見圖4）
多電平逆變器的拓撲線路
假如以上兩個逆變器的電壓源電壓都是U時，理論上二電平逆變器的輸出電壓振幅是U，因為輸出電壓為U和0，每個器件上施加的電壓也是U。而三電平逆變器的輸出電壓振幅是U/2，因為輸出電壓為U、U/2和0，那么施加到每個器件的電壓也是U/2。
展開 逆變器拓撲
逆變器用于電力牽引驅動系統，為電機供電。有多種類型的逆變器拓撲可供選擇；其中，電動汽車制造商采用了兩電平電壓源逆變器（VSI），由于設計更簡單、魯棒性和易于控制。兩電平逆變器開關必須阻斷全直流母線電壓；因此，與多電平轉換器相比，開關損耗更高。輸出支路電壓在零和全直流電壓之間擺動；因此 dv/dt 也更高。該逆變器可替換為多電平逆變器，以實現低損耗和低 dv/dt。三級中性點鉗位 (NPC) 可以成為降低 dv/dt 的更高頻率工作的潛在方案，如圖 6(b) 所示。
為了增加冗余，還可以使用開式繞組配置。這種逆變器拓撲采用雙兩電平逆變器，可以實現三電平輸出電壓，如圖6（a）所示。雙逆變器也可以在開路或短路故障下以降低的功率運行。然而，上述逆變器將使用比傳統兩電平逆變器更多的開關，并且將需要更多的柵極驅動器。控制復雜性也會增加。總的來說，這些方法可能無助于實現成本和功率密度目標。
為了達到美國能源部 2025 年 100kW/L 的目標，采取了不同的方法。不是直接研究逆變器的損耗和體積減小，而是考慮一種減小 DCbus 電容器體積的方法來優化逆變器體積。標準電壓源逆變器 (VSI) 在直流鏈路中會產生較大的紋波電流，因此需要一個較大的直流母線濾波電容器，該電容器可能占逆變器體積的 20%。在文獻中提出了分段逆變器，它可以顯著降低直流母線紋波電流和電容。將傳統 VSI 的驅動器更改為分段牽引驅動系統的過程如圖 7 所示。功率模塊中的逆變器開關和電機中的定子繞組分為兩組開關（在圖中以紅色和藍色表示）圖）和繞組（a1，b1，c1）和（a2，b2，c2）。
展開 高頻機一般配置40-64只電池，為取消變壓器，保證逆變器可以直接逆變出220V/380V交流電，高頻機在整流器后增加了一個IGBT的DC/DC升壓環節，使得逆變器前端的直流母線電壓達到800V，這樣逆變器功率器件的承壓為800V，需要選用1200-1500V耐壓值的IGBT才能滿足要求。
通過研究場效應管和IGBT等功率器件的失效率曲線，發現1500V耐壓值的功率器件其失效率數倍于800V耐壓值的功率器件。這樣，研發人員意識到降低功率器件的承壓、選擇低耐壓值的功率器件可以提高逆變器的可用性。用戶體驗實踐也證明工頻機逆變器比兩電平高頻機的逆變器可用性高。
因此為改善高頻機在可用性方面的不足，業內研發了三電平四電平逆變器。
三電平逆變器功率器件的承壓為400V，低于工頻機。
四電平逆變器功率器件的承壓為266V，更是遠低于工頻機的432V。
施耐德電氣公司于2010年獲得了四電平逆變器技術的專利。該技術的運用，不但提高了逆變器的可用性，還提高了UPS效率，達到96.5%。
那么是否五電平六電平逆變器的可用性會更高呢，答案不是這樣的，因為電平數越多，逆變器需要的功率器件的數量就越多，使得逆變器出故障的可能性增多。因此，需要在功率器件的耐壓值和數量上找到合理的平衡。施耐德電氣的實踐證明運行在全球范圍內的數萬臺四電平逆變器可用性優于傳統的工頻機
3.新型物理架構的大功率并機系統
大型及超大型數據中心及半導體行業的用戶，經常會搭建功率為1500KW及以上的UPS系統，這就需要采用多臺UPS并聯的系統架構。
并機系統的電氣架構大家都知道有兩種，多臺UPS直接并機，和公用靜態旁路的多臺UPS并機。所有廠家都公認：公用大功率靜態旁路的多臺UPS并機系統可用性更高，但成本較貴。
而從物理架構的角度出發，并機系統目前也發展出有兩種模式。
展開 常規逆變電路拓撲
常規逆變電路拓撲可分為單相半橋、 單相橋式、 三相橋式電路等， 根據直流側電源性質，又可將其分為電壓源型逆變電路（VSTI） 和電流源型逆變電路（CSTI）。單相逆變電路的優點是簡單， 使用器件少， 常用于幾 KW 以下的小功率逆變電源。三相橋式逆變電源應用較多。
軟開關逆變電路拓撲
逆變電源為得到更好的交流輸出波形， 將會提高全控型電力電子器件的開關頻率， 同時，開關損耗也會隨之增加， 電路效率嚴重下降， 電磁干擾也增大了， 所以簡單的提高開關頻率是不行的。 針對這些問題出現了軟開關技術， 它是以諧振為主的輔助換流手段， 解決了電路中的開關損耗和開關噪聲問題， 使開關頻率可以大幅度提高。 軟開關技術總的來說可以分為零電壓（ZVS） 和零電流(ZCS) 兩類， 按照其出現的先后， 可以將其分為準諧振、 零開關 PWM和 PWM 三大類。每一類都包括拓撲和眾多的派生拓撲。
三電平或多電平逆變電路拓撲
多電平逆變器的思想最早由日本 Nabae 于 20 世紀 80 年代初提出的。其基本原理是通過多個直流電平來合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。 其優點是減小逆變器輸出諧波， 降低了開關管電壓應力。 多電平拓撲結構種類較多， 但是大致可分為： 二極管鉗位型， 飛跨電容性和獨立直流電源級聯多電平這三種拓撲結構。 這三種多電平拓撲結構各有優點， 其中應用最廣泛的是二極管鉗位型多電平拓撲結構。
全波整流和半波整流（AC/DC轉換）將AC（交流電壓）轉換為DC（直流電壓）的整流方式有全波整流和半波整流。兩種情況都利用了二極管的電流正向流通特性來進行整流。
全波整流是通過二極管橋式電路結構將輸入電壓的負電壓成分轉換為正電壓后整流成直流電壓（脈沖電壓）。
展開 從電力電子變換器輸入和輸出的交直流關系來說.通常有四種形式∶AC/DC（交流到直流）——整流，DC/AC（直流到交流）——逆變，DC/DC （直流到直流）——斬波，AC/AC（交流到交流）——交流調壓或周波變換。
AC/DC，交流到直流的整流技術。整流器的發展經歷四個階段，對應四種形式;二極管不控整流、晶閘管等器件的相控整流器、1989年發明的二極管不控整流加升壓斬波器、PWM整流器。后兩種整流器能改善交流側的電流波形質量，理論上可以達到正弦波形。
DC/AC，直流到交流的逆變技術。根據逆變器直流側的儲能元件是電容器還是電抗器，分為電壓型逆變器和電流型逆變器兩種。電壓型逆變器的發展分為;方波/六階梯波逆變器、PWM逆變器、1987年發明的整流和逆變器均采用PWM控制的雙 PWM逆變器、1987年發明的多電平 PWM逆變器、諧振直流環或交流環逆變器等。
根據產生 PWM 的方式不同，PWM逆變器分為正弦 PWM、指定諧波消除 PWM、電流滯環控制（也稱邊帶控制）PWM、三角調制 PWM、隨機諧波頻譜PWM、空間電壓矢量 PWM等。諧振直流環逆變器有1989年Divan發明的有源電壓鉗位直流環諧振逆變器和 1990年Bose發明的電流初始化直流環讓皆振逆變器等，諧振交流環逆變器有1990年 Lipo 發明的直流環節高頻諧振交流換向逆變器和 Donker發明的輔助諧振換向極逆變器等。
電流型逆變器的發展分為∶同步電動機驅動電流型逆變器LCI、感應電動機驅動電流型逆變器 ASCI、電流型 PWM 逆變器、1985年 Hombu 發明的整流和逆變都是電流型 PWM控制方式的雙 PWM電流型逆變器 感應加熱用的由流型并聯諧振逆變器、1981年 Schwarz發明的串聯諧振交流環電流型整流-逆變器系統。
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一、前言
多電平逆變器，是一種新型逆變器。常規逆變器，在單橋臂上采用單個開關器件。多電平逆變器在單橋臂上包含多個串聯開關器件，能夠精細地控制輸出電壓。將逆變輸出的正弦波進行微分，微分數量越多，越接近正弦波。常見的多電平逆變器有三、五、七電平等。其功率開關元件工作在較低的頻率上，使功率元件的開關損耗減小，產生的電磁干擾較小，逆變器效率更高。
電壓型逆變器的發展分為;方波/六階梯波逆變器、PWM逆變器、1987年發明的整流和逆變器均采用PWM控制的雙 PWM逆變器、1987年發明的多電平 PWM逆變器、諧振直流環或交流環逆變器等。
根據產生 PWM 的方式不同，PWM逆變器分為正弦 PWM、指定諧波消除 PWM、電流滯環控制（也稱邊帶控制）PWM、三角調制 PWM、隨機諧波頻譜PWM、空間電壓矢量 PWM等。
三電平或多電平逆變電路拓撲
多電平逆變器的思想最早由日本 Nabae 于 20 世紀 80 年代初提出的。其基本原理是通過多個直流電平來合成逼近正弦輸出的階梯波電壓。 其優點是減小逆變器輸出諧波， 降低了開關管電壓應力。 多電平拓撲結構種類較多， 但是大致可分為： 二極管鉗位型， 飛跨電容性和獨立直流電源級聯多電平這三種拓撲結構。
該逆變器可用于驅動牽引電機，并且可以實現比兩電平或上述多電平逆變器高得多的功率密度。
D. 牽引電機
電機將電能轉換為旋轉能，然后傳遞給車輪以驅動車輛。電動汽車制造商使用了多種類型的電動機，每種電動機在緊湊性、效率、速度范圍和可靠性方面都有其優點和缺點。
那么是否五電平六電平逆變器的可用性會更高呢，答案不是這樣的，因為電平數越多，逆變器需要的功率器件的數量就越多，使得逆變器出故障的可能性增多。因此，需要在功率器件的耐壓值和數量上找到合理的平衡。
