【电容钳位多级逆变器】多级逆变器上的SPWM技术——电容钳位拓扑结构，电容钳位拓扑结构的三电平输出附Simulink仿真

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在电力电子领域，多级逆变器凭借输出谐波含量低、开关器件耐压要求低、无需笨重的变压器等优势，被广泛应用于高压大功率场合，如电机驱动、新能源并网、电力系统无功补偿等。电容钳位多级逆变器（也称为飞跨电容逆变器）通过在不同开关器件之间接入钳位电容，实现了多电平电压输出，有效降低了输出电压的谐波畸变率。

正弦脉冲宽度调制（SPWM）技术通过将正弦参考波与三角载波比较生成脉冲宽度调制信号，能够精确控制逆变器的输出电压和频率，与多级逆变器结合可进一步提升输出波形质量。本文聚焦电容钳位拓扑结构，深入探讨 SPWM 技术在该结构中的应用，并详细分析三电平输出的原理与实现。

2. 电容钳位多级逆变器拓扑结构

2.1 基本结构

电容钳位多级逆变器的核心思想是通过钳位电容来钳位开关器件两端的电压，实现多电平输出。以三相系统为例，每相桥臂由多个功率开关器件和钳位电容组成。对于 n 电平逆变器，每相桥臂需要（n-1）个钳位电容，且这些电容的电压按一定比例分配（通常为等幅分配，如三电平逆变器中每个钳位电容电压为直流侧电压的 1/2）。

钳位电容的作用主要有两个：一是将开关器件两端的电压限制在单个电容电压值，降低开关器件的耐压要求；二是通过电容的充放电维持各节点的电压电平，保证多电平输出的稳定性。

2.2 三电平电容钳位拓扑结构

三电平电容钳位逆变器是最常用的拓扑之一，每相桥臂由 4 个功率开关器件（S1、S2、S3、S4）和 1 个钳位电容 C 组成，直流侧由两个串联的电容 C1 和 C2 供电，中点为 O，C1 和 C2 的电压均为 Vdc/2，钳位电容 C 的电压也稳定在 Vdc/2。

以 A 相为例，其拓扑结构中各开关器件的导通状态与输出电平的关系如下：

• 当 S1 和 S2 导通，S3 和 S4 关断时，输出端 A 与直流侧正极相连，输出电压为 + Vdc/2（正电平）；

• 当 S2 和 S3 导通，S1 和 S4 关断时，输出端 A 与中点 O 相连，输出电压为 0（零电平）；

• 当 S3 和 S4 导通，S1 和 S2 关断时，输出端 A 与直流侧负极相连，输出电压为 - Vdc/2（负电平）。

通过控制各相桥臂的开关状态组合，可实现三相三电平电压输出，且每个开关器件仅承受 Vdc/2 的电压，降低了对器件耐压的要求。

3. 电容钳位多级逆变器的 SPWM 技术

3.1 SPWM 基本原理

SPWM 技术的基本原理是将正弦参考波（调制波）与三角载波（载波）进行比较，当调制波电压高于载波电压时，相应的开关器件导通；当调制波电压低于载波电压时，开关器件关断，从而生成一系列脉冲宽度与正弦波幅值成正比的脉冲序列。这些脉冲序列的基波分量与正弦参考波一致，通过滤波后可得到正弦波形。

在多级逆变器中，SPWM 技术通过引入多个载波（对于三电平逆变器通常采用双载波），实现多电平脉冲输出，进一步降低输出谐波。

3.2 三电平电容钳位拓扑的 SPWM 实现

对于三电平电容钳位逆变器，采用异步调制或同步调制方式，以双极性 SPWM 为例，其实现过程如下：

1. 参考波与载波生成：每相生成一个正弦参考波（如 ua_ref、ub_ref、uc_ref），频率为输出基波频率；同时生成两个相位相反的三角载波，载波频率为 fc，幅值为 Vdc/2。

1. 脉冲生成逻辑：将正弦参考波与两个三角载波比较：

• 当 ua_ref > 上载波时，S1 和 S2 导通，输出 + Vdc/2；

• 当下载波 < ua_ref < 上载波时，S2 和 S3 导通，输出 0；

• 当 ua_ref < 下载波时，S3 和 S4 导通，输出 - Vdc/2。

1. 钳位电容电压平衡控制：在 SPWM 控制中，通过合理设计开关序列的导通时间，确保钳位电容 C 的充放电平衡，维持其电压稳定在 Vdc/2。例如，在一个开关周期内，使输出正电平和负电平的时间对称，避免电容电压偏移。

4. 三电平输出特性分析

4.1 输出电压波形

三电平电容钳位逆变器采用 SPWM 技术时，输出电压包含 + Vdc/2、0、-Vdc/2 三个电平，其脉冲序列的基波分量为正弦波，谐波主要集中在载波频率及其倍数附近，且谐波幅值较低。与两电平逆变器相比，三电平输出的电压波形更接近正弦波，总谐波畸变率（THD）显著降低。

4.2 开关器件应力

在三电平拓扑中，每个开关器件仅承受 Vdc/2 的电压应力，是两电平逆变器的 1/2，因此可选用耐压较低的开关器件，降低成本并提高系统可靠性。同时，SPWM 技术通过合理的开关逻辑，减少了开关器件的开关次数，降低了开关损耗。

4.3 电容电压平衡

钳位电容的电压平衡是三电平输出稳定的关键。在 SPWM 控制下，若开关序列设计不合理，会导致钳位电容充放电不平衡，引起电压偏移，影响输出电平的准确性。通过采用基于电压反馈的闭环控制策略，实时调整开关导通时间，可有效维持电容电压平衡，确保三电平输出的稳定性。

5. 应用与优势

电容钳位多级逆变器（尤其是三电平结构）结合 SPWM 技术，在中高压领域具有显著优势：

• 输出谐波含量低，可减少滤波电路的体积和成本；

• 开关器件耐压要求低，适合高压大功率应用；

• 功率密度高，运行效率高；

• 动态响应快，可满足高精度调速和并网要求，广泛应用于高压电机驱动、光伏发电并网、SVG（静止无功发生器）等场合。

6. 结论与展望

电容钳位拓扑结构通过钳位电容实现了多电平输出，结合 SPWM 技术后，能有效提升逆变器的输出性能。三电平电容钳位逆变器作为基础拓扑，其输出电压波形质量高、开关器件应力小、控制灵活，是中高压电力电子系统的重要选择。

未来研究可聚焦于以下方向：

• 优化 SPWM 控制策略，进一步降低输出谐波，提高电容电压平衡的动态响应；

• 拓展至高电平拓扑（如五电平、七电平），适应更高电压等级的应用需求；

• 结合新型功率器件（如 SiC、GaN），提升逆变器的开关频率和效率。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 闻振华.三电平逆变器SPWM控制策略的研究[J].华中科技大学, 2009.DOI:10.7666/d.d085907.

[2] 伍家驹,王文婷,李学勇,等.单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析[J].电力自动化设备, 2008, 28(4):6.DOI:10.3969/j.issn.1006-6047.2008.04.011.

[3] 李国丽,史晓锋,姜卫东,等.二极管钳位型多电平逆变器脉宽调制时电容电压均衡方法[J].电工技术学报, 2009, 24(7):110-119.DOI:10.3321/j.issn:1000-6753.2009.07.019.

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