单高压源七电平二极管钳位PWM逆变器的调制与电容均压技术研究

《IEEE Access》：Modulation and Capacitor Balancing of a Single-Phase Two-Series-Connected Diode-Clamped PWM Inverter With Seven-Level Input

本文针对单相高压应用提出了一种新型两串联七电平二极管钳位PWM逆变器，该拓扑通过六个串联电容直接从单一高压源实现真七电平直流链路，无需辅助升压网络或多个隔离电源。研究人员开发了基于中间/零矢量占空比与相电流乘积分析的直流链路电压变化机理模型，提出了双重的桥臂间/桥臂内均压策略。仿真与实验结果表明，该方案在调制指数m=1时线电压THD为25-30%，电流THD为0.45-0.75%，开关频率1.97-3.95 kHz，效率达92-97%，且直流阻断电容电压纹波约26 V（平均电压的13%），验证了拓扑结构的高效性与可靠性，为单源高压大功率应用提供了新的解决方案。

　　

在当今能源转型与电气化加速发展的时代，高功率、高电压的电能转换技术已成为可再生能源集成、高压直流输电、电动汽车牵引和工业传动等领域的核心支撑。多电平逆变器（Multilevel Inverters, MLIs）作为这一领域的基石技术，通过合成阶梯状输出电压波形，能够显著降低谐波失真、减小电磁干扰并减轻器件电压应力，从而使得采用更低耐压、更具成本效益的开关器件成为可能。然而，随着电平数量的增加，电路复杂度和控制难度也呈指数级上升，尤其是在追求更高波形质量和电磁兼容性的单相系统中，七电平逆变器因其在性能与复杂度间的良好平衡而备受关注。

尽管MLI技术已相对成熟，但现有的大多数七电平拓扑，如飞跨电容（Flying Capacitor, FC）型、开关电容（Switched Capacitor, SC）型、打包U单元（Packed U-Cell, PUC）及其改进型、有源中性点钳位（Active Neutral-Point-Clamped, ANPC）型以及级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）型，都存在一个根本性的局限：它们并非真正的“高压分压”拓扑。这些结构通常依赖于多个隔离电源、辅助电容或复杂的电荷平衡方案来合成多电平输出，无法直接连接并均分单一高压直流输入。中性点钳位（Neutral-Point-Clamped, NPC）或称二极管钳位逆变器，其直流链路结构简单，仅由串联电容分压，并通过钳位二极管提供中间电平，理论上非常适合直接接口高压直流母线。但其向五电平、七电平或更高电平扩展时，串联电容之间的电压失衡问题变得极为突出，特别是在自然平衡机制较弱的单相系统中，这已成为限制其实际应用的关键障碍。因此，开发一种能够直接从单一高压源产生真七电平直流链路，并具备有效电容电压平衡能力的单相逆变器拓扑，具有重要的理论价值和现实意义。

本研究发表在《IEEE Access》上，旨在填补这一空白。韩国铁道研究院电气化系统研究部的MIN-SUP SONG博士提出了一种新颖的两串联连接七电平二极管钳位PWM逆变器。该拓扑通过堆叠两个二极管钳位的四电平桥臂，并共享一个由六个串联电容构成的直流链路，实现了从单一高压源直接产生七电平（0, E, 2E, 3E, 4E, 5E, 6E）输出的能力。为了应对电容电压失衡这一长期挑战，研究团队从分析直流链路电压变化机理入手，揭示了其受中间矢量/零矢量占空比与相电流共同作用的规律，并据此开发了一套双重的均压策略，包括桥臂间平衡和桥臂内平衡。该策略基于多相邻参考矢量（Multi-Neighboring Reference Vector, MNRV）的断续脉宽调制（Discontinuous PWM, DPWM）技术，通过引入钳位类型（Clamp-Type, CT）交替规则，确保上下电容组电荷交换的平均平衡。

为验证所提方案，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，通过理论推导建立了电容平均电流与电压纹波的解析模型，明确了其与调制指数（m）和功率因数（pf）的关系。其次，利用仿真软件（如PLECS）对拓扑在不同PWM策略（包括正弦PWM (SPWM)、虚拟矢量PWM (VVPWM)、载波重叠PWM (COPWM) 以及多种MNRV-DPWM变体）下的稳态性能、谐波失真（THD）、开关频率、功率损耗分布以及电容失配条件下的平衡能力进行了全面评估。关键参数包括直流链路电压2V_dc=400 V，电容C_dc=7.5 mF，阻断电容C_B=0.75 mF，负载阻抗Z_L=24.32 Ω（对应不同功率因数）。最后，搭建了硬件实验平台，核心功率开关器件采用Fuji Electric的FGW35N60HD IGBT，钳位二极管采用STMicroelectronics的STTH15RQ06-Y，控制核心为TI TMS320F28386D DSP，通过实验测量了输出电压电流波形、THD以及动态响应，并与仿真结果进行了对比验证。

稳态性能验证

仿真结果表明，所提出的逆变器在各种PWM策略下均能稳定工作。在调制指数m=1、功率因数pf=0.9时，负载线电压v_L的THD在25-30%之间，输出电流i_a的THD低至0.45-0.75%。SPWM策略因其连续的调制方式而具有最低的电流THD。平均开关频率方面，SPWM约为3.95 kHz，而DPWM策略通过引入钳位区间，将其降低至1.97-2.05 kHz。效率分析显示，系统效率在92%至97%之间，其中DPWM策略因开关损耗降低而略高于SPWM。直流阻断电容电压v_CB的峰峰值纹波被限制在约26 V，为其平均电压（200 V）的13%，证实了电容选型的合理性。电容电压波形显示，在SPWM下，电容电压呈周期对称（V_dc1与V_dc6等镜像配对），而在DPWM下，由于钳位类型的交替，电容电压动态呈现周期加倍的特征，但上下电容组的总电压始终保持平衡。

谐波失真分析

谐波分析显示，负载电压THD随调制指数m的增大而减小，随功率因数的降低（感性增强）而略有改善（因负载滤波作用）。电流THD则随m增大而减小，随pf降低而显著降低。在所有测试条件下，SPWM始终提供最低的电压和电流THD。MNRV-DPWM各种变体的THD性能非常接近，形成一个紧凑的集群。COPWM在低调制指数下表现出较高的THD，这与其每个采样周期更新零序分量、导致钳位区间频繁迁移、破坏半波对称性有关。

开关频率与损耗分布

开关频率分析证实了理论计算，SPWM平均开关频率最高（~4 kHz），DPWM变体约为2 kHz，COPWM因钳位迁移效应略高（~2.54 kHz）。损耗仿真（PLECS）表明，IGBT通态损耗是总损耗的主要部分（约8.36-8.51 W），钳位二极管导通损耗次之（约2.24-3.11 W）。SPWM的开关损耗最高（~2.0 W），DPWM策略通过钳位有效降低了开关损耗（~1.0-1.05 W），因此DPWM在效率上普遍优于SPWM和COPWM。

电容电压平衡能力

为了测试平衡策略的鲁棒性，研究设置了电容失配条件（如C_dc1=0.9C_dc, C_dc2=1.1C_dc等）。结果表明，所提出的双重平衡策略（通过V_{dc_offset}注入实现桥臂间平衡，通过d_comp补偿实现桥臂内平衡）能够有效抑制电压偏差。特别是DPWM策略，其固有的钳位交替特性本身就具有自然的平衡能力，结合补偿后能实现更精确的电压控制。COPWM在失配条件下表现出最快的瞬态均衡速度，但其谐波性能较差。

实验验证与对比

硬件实验结果与仿真高度吻合。在m=0.9, pf=0.9条件下，测得电流THD约为1.7-2.0%，负载电压THD约为32-39%，与预期的线电压行为一致。动态测试（m在0.3, 0.6, 0.9间阶跃变化）表明，直流链路电容电压在调制指数突变时仍能保持良好的平衡，无显著漂移。长时平衡测试中，在施加阶跃参考电压后，电容电压能在控制器作用下快速收敛至目标值，SPWM表现出最快的恢复速度。与现有七电平拓扑的对比表明，所提出的结构是唯一实现真七电平直流链路的拓扑，且主开关器件数量（12个）低于多数基于四电平单元合成的方案（通常16个开关），凸显了其结构紧凑性和对单高压源直接接入的适用性。

本研究成功提出并验证了一种新型的两串联连接七电平二极管钳位PWM逆变器及其配套的调制与均压策略。该拓扑的核心创新在于仅使用单一高压源和六个串联电容即构建出真七电平直流链路，无需任何辅助电路或多路隔离电源，结构简洁。理论分析揭示了电容电压变化的内在机理，为控制策略的设计奠定了坚实基础。提出的基于MNRV的双重均压策略，有效解决了高电平二极管钳位结构固有的电容电压失衡难题。全面的仿真和实验结果表明，该逆变器在宽范围操作条件下均能实现优异的稳态和动态性能，包括低电流谐波失真、可接受的电压失真、较低的开关损耗和较高的效率。与飞跨电容、开关电容、有源中性点钳位、打包U单元和级联H桥等现有七电平方案相比，该拓扑在器件数量、直接高压兼容性和控制复杂性方面展现出显著优势。这项工作为单相高压大功率应用提供了一种高效、可靠且易于实施的逆变器解决方案，对推动多电平变换技术在可再生能源、电动汽车和工业传动等领域的更广泛应用具有重要意义。未来的研究方向可包括将该拓扑扩展至更高电平数，以及将其应用于特定的高压交流驱动和可再生能源接口系统中。