图5. 3 总电路仿真 42

表3. 1高频隔离式半桥五电平逆变器各功率开关管电压应力 26

表4. 1 输出电压正半周一个周期内功率开关管导通情况 33

表4. 2 输出电压正半周一个周期内功率开关管导通情况 35

1  绪论

1.1  课题研究背景及意义

按照电力电子对电能变换方式的分类，将直流电变换为交流电的装置称为逆变器，即DC-AC逆变器。逆变器的应用非常广泛。现有的各种电源，如蓄电池、干电池、太阳能电池等都是直流电源，当需要向交流负载供电时，就需逆变电路将直流电变换成交流电；在交流电机调速变频器、不间断电源（Uninterrupted Power Supply，以下简称UPS）、感应加热电源灯的电路中，逆变器也是这些电力电子装置的核心部分。逆变技术在电力电子技术中占有十分重要的位置，值得深入探讨。

DC-AC逆变器可以通过直流电动机—交流发电机组来实现，也可以通过功率半导体器件来完成。前者逆变装置由于具有体积大、重量高、效率较低、可靠性差等诸多缺点，正慢慢被功率半导体所取代。本文论述的逆变器均为功率半导体逆变器。

DC-AC逆变器种类很多，根据不同的分类方式，可以归纳如下：按交流输出电能的去向可分为无源逆变器和有源逆变器；按功率流动的方向可分为单向逆变器和双向逆变器；按输入直流电源的性质可分为电压源逆变器和电流源逆变器；按输入输出电气隔离可分为非隔离型逆变器和隔离型逆变器，其中隔离型逆变器又可分为低频环节逆变器和高频环节逆变器；按功率电路的拓扑结构可分为推挽式逆变器、全桥式逆变器、半桥式逆变器等；按输出交流电压的电平数可分为两电平逆变器和多电平逆变器；按输出交流电的相数可分为单向逆变器、三相逆变器和多项逆变器。

传统的两电平逆变技术经过多年发展已比较成熟，其优点在于主电路拓扑结构简单，控制策略和实现方式较为完善。但在大功率环境下，传统的两电平逆变器具有十分明显的缺点：需要笨重，耗能，昂贵的变压器来传送电能；需要采取器件串联来实现高电压，因而需要复杂的动态均压电路，导致系统复杂化，损耗增加；需要高的开关频率来获得高质量的输出波形，高频造成大的开关损耗，效率降低。

基于Buck变换器的具有高频环节的多电平逆变器，其主电路由高频逆变器、高频变压器、周波变换器、滤波器等组成，可实现两级功率变换和双向功率流，将直流电源与交流负载高频电气隔离，具有输出电压频谱特性好、功率密度高、开关器件的电压应力低等优点，是逆变技术发展的热点，也是本文研究的主要对象。

1.2  多电平逆变器的发展与应用

为弥补两电平逆变器的不足，日本学者Nable等人于1981年提出了多电平逆变器的思想。多电平逆变电路的一般结构是由几个台阶的直流电平通过合成阶梯波来逼近正弦输出电压。随着电平级数的增加，合成的阶梯波级数也增加，输出波形越来越逼近正弦波，从而使谐波含量大大减少。多电平逆变电路不需要输出变压器和动态均压电路，开关频率低，因而开关器件应力小，系统效率高，可以得到高质量的输出波形。多电平逆变器的诸多优点使其逐渐成为高压变频领域和调速领域的新秀，在高电压、大功率场合，如有源电力滤波、无功电能补偿、高电压电动机驱动等领域，获得了非常广泛的应用。

多电平逆变的思想从提出至今，出现了许多电路拓扑，但归纳起来主要有三种：二极管箝位型（NPC）、飞跨电容型（FLC）以及具有独立直流电源的级联逆变器型（MMC）。它们的共同优点是：①电平数越高，输出电压谐波含量越低；②器件开关频率低，开关损耗小；③器件应力小，无需动态均压。