Abstract: Conventional cascaded inverters based on 3-level H-bridge (3L-CHB) have been most widely applied for medium-voltage drives in China. But they are less adopted to top drive systems owing to large amount of power cells, complicate transformer and inconvenience for realizing 4-quadrant operation. Main improving courses of this kind of inverters are reducing cell amount and simplifying transformer. Two kinds of cascaded inverters based on 5-level H-bridge (5L-CHB) are introduced in this paper: 2-quadrant diode rectifying 5L-CHB and 5L-AFE rectifying 5L-CHB. Comparing to conventional 3L-CHB: for the first one, power cell amount and transformer three phase secondly winding amount reduce to half; for the second one, power cell amount reduces to half, transformer three phase secondly winding amount reduces to 1/6 and does not need phase shifting, it can 4-quadrant operation.

Key words: Cascaded H-bridge inverters; 5-level H-bridge; Diode rectifying; 5L-AFE rectifying

【中图分类号】TN773【文献标识码】B 文章编号1606-5123（2017）10-0000-00

1 引言

H桥级联变频器（CHB）在我国中压调速领域应用最广泛^[1]，因为：通过增加H桥功率单元（cell）的串联级数可提高额定输出电压至6kV、10kV或更高；电网侧和输出侧谐波小，号称“完美无谐波”；输出电压电平数多，dv/dt小，使用普通电机。尽管它的性能优良，但因功率单元（cell）数量多带来许多缺点：网侧变压器副方绕组数量太多，加之移相要求，设计和制造困难；副方绕组和功率单元之间的电缆太多，变压器需紧靠功率单元柜布置，放在控制室内，为满足防火要求，必需使用干式变压器，体积、重量、价格和可靠性都比油浸变压器差很多；干式变压器在室内，不仅占据大量宝贵的控制室面积，还排放大量热量，增加冷却通风负担；每个cell一套浮空整流电源，实现四象限运行麻烦。上述缺点使之较难涉足轧机、提升机等高端传动领域。减少cell数量和简化变压器是H桥级联变频器的改进方向。

现在广泛使用的CHB是三电平H桥级联变频器（3L-CHB）^[2]，它功率单元中的逆变H桥是输出±V_dc和0三种电平的3电平H桥（3LH），若IGBT电压=1.7kV，V_dc≈1kV，桥输出电压≈700V（有效值），10kV变频器至少需8级串联，24个功率单元，数多。如果功率单元中的逆变H桥改用输出±2V_dc、±V_dc和0五种电平的5电平H桥（5LH）^[2]，同样IGBT电压=1.7kV和V_dc≈1kV，H桥输出电压加倍≈1400V（有效值），10kV变频器只需4级串联，12个功率单元，数量减半。我国已有4级串联H桥级联变频器采用油浸变压器并置于主控室外的成功经验。称功率单元中逆变桥采用5LH的级联变频器为五电平H桥级联变频器（5L-CHB）。

现在功率单元中的整流器都用三相桥式整流，每个单元都需要一组变压器三相付方绕组。如果整流器改用单相桥式整流，把变压器三相付方绕组中点打开，每个单元只接其中某一相，这样每组三相付方绕组可带3个功率单元，变压器付方绕组数减少2/3。若级联变频器cell中的逆变器为5LH，变压器付方绕组数将减至常规3L-CHB变频器的1/6。直接使用二极管单相桥式整流不行，因为直流母线上接有大贮能电容，二极管导通时间很短，交流进线电流为尖峰波，谐波非常大，随负载变化直流电压大幅变化。文献[3]提出一种改进方法，在单相二极管整流桥和直流贮能电容间加装耦合电抗器，能把二极管导通时间扩展至180º，交流进线电流近似方波，谐波减小，随负载变化直流电压的变化也小。这种方法不实用，因耦合电抗器绕组间电压高、联线困难。

如果功率单元中的整流器采用基于5电平H桥（5LH）的单相桥式PWM整流（5L-AFE），它的交流进线电流是按2倍PWM调制频率脉动的正弦波，谐波小，随负载变化直流电压的变化也小。因各单元的交流进线电流己近似正弦，变压器各组付方绕组不用移相，再因一组变压器三相付方绕组带3个单相整流单元，变压器付方绕组数是常规3L-CHB的1/6，大大简化了它的设计和制造。串联单元中各5L-AFE的PWM调制相位彼此错开/k（k—串联级数），变压器原方电流的脉动频率增加k倍，电流谐波频率增加，幅值大幅减小。由于AFE允许双方向功率流，故这种基于5LH桥整流和逆变的5L-CHB变频器可以四象限运行。TMEIC（东芝-三菱）公司推出的TMdrive-MVe2变频器采用此方案，已在我国多地运行^[4]。

为方便比较，本文第II节先简介常规3LH桥和3L-CHB变频器。第III节介绍5LH桥和两象限二极管整流5L-CHB变频器。第IV节介绍四象限单相桥式5L-AFE整流5L-CHB变频器。

常规三电平H桥级联变频器（3L-CHB）及其功率单元绘于图3。图3（b）是两象限功率单元，采用二极管三相桥式整流，功率只能单方向流动。图3（c）是四象限功率单元，采用IGBT三相桥式整流，功率可以双方向流动。IGBT整流有两种控制方法^[5]：PWM整流（AFE）和交流电源同步整流。由于AFE的交流输入端电压是两电平PWM调制方波，谐波很大，需在IGBT桥和变压器付方绕组之间加装LCL滤波器，前一个滤波电感L用变压器的漏感，后一个滤波电感L需外设，它很大（10%左右），加之滤波电容C，这滤波器代价不小。因AFE交流输入电流波形近似正弦，变压器付方绕组可以不移相。交流电源同步整流靠变压器的漏感工作，不用加装滤波器，但因其交流输入电流波形与二极管整流相近，要借助变压器付方绕组移相才能使原方电网侧电流谐波达标。上述两种单元都由单独的变压器三相付方绕组供电，一个单元配一组三相付方绕组。

功率单元输出电压低，多级串联后才能输出6或10kV。如果使用1700V的IGBT及V_dc≈1000V，10kV变频器至少需8级串联，24个功率单元和24组变压器付方绕组，6kV变频器至少需5级串联，15个功率单元和15组变压器付方绕组。图3（a）是5级串联的3L-CHB变频器。

单元串联时，各单元逆变H桥的PWM调制相位彼此错开/k（k—串联级数），则变频器输出相电压的电平数=2k+1，线电压电平数=2×相电压的电平数-1，相电压波形脉动频率（等效开关频率）=2k×PWM调制频率（2/ T_s）=2k×IGBT开关频率。若k=4及IGBT开关频率=500Hz，则相电压的电平数=9，线电压电平数=17，相电压波形脉动频率（等效开关频率）=4kHz。

这种变频器的优点和缺点在上节引言中已阐述，它的几个缺点都源于功率单元和变压器付方绕组数量多，减少它们的数量是这种级联变频器的主要改进方向。

5LH已用于ABB公司的ACS-5000和TMEIC公司的TMdrive-XL中压变频器，它们没用级联，使用4.5kV高压开关器件，V_dc≈2500V，变频器最大输出线电压6.9kV。由于输出电压的电平数少及dv/dt高，电机运行时噪声较大，电机及其联接电缆需加强绝缘，TMEIC公司的技术文件规定采用11kV绝缘。这问题宜通过使用较低电压开关器件和借助较少级数的级联解决。

二极管整流五电平H桥功率单元示于图6，它由二极管三相整流桥和五电平逆变H桥构成，每个单元接一组变压器三相付边绕组。二极管整流桥的交流进线电流谐波较大，需借助变压器付方绕组的移相才能使原方电流谐波达标。两象限二极管整流5L-CHB变频器主电路和图3（a）所示3L-CHB变频器主电路一样，只是串联级数、功率单元数和变压器付方绕组数减半。如果使用1700V的IGBT及V_dc≈1000V，10kV变频器只需4级串联，12个功率单元和12组变压器付方绕组；如果使用3300V的IGBT及V_dc≈2000V，10kV变频器只需2级串联，6个功率单元和6组变压器付方绕组。我国已有4级串联H桥级联变频器采用油浸变压器并置于主控室外的成功经验。

和3L-CHB变频器一样，5L-CHB变频器在单元串联时，各单元逆变H桥的PWM调制相位也彼此错开/k（k—串联级数），则变频器输出相电压的电平数=4k+1，相电压波形脉动频率（等效开关频率）=2k×PWM调制频率（2/ T_s）=4k×IGBT开关频率。若k=2及PWM调制频率频率=1kHz，则相电压的电平数=9，相电压波形脉动频率（等效开关频率）=4kHz，IGBT开关频率=500Hz。两级串联5L-CHB变频器的桥输出电压（v_ho.1和v_ho,2）及变频器输出相电压v_ho波形示于图7。

4 四象限单相桥式五电平PWM整流5L-CHB变频器

现在功率单元中的整流器都用三相桥式整流，每个单元需要一组变压器三相付方绕组。如果整流器改用单相桥式整流，把变压器三相付方绕组中点打开，每个单元只接其中某一相，这样每组三相付方绕组可带3个功率单元，变压器付方绕组数减少2/3。若级联变频器功率单元中的逆变器为5LH，变压器付方绕组数将减至常规3L-CHB变频器的1/6。

直接使用二极管单相桥式整流不行，因为直流母线上接有大贮能电容，二极管导通时间很短，交流进线电流为尖峰波，谐波非常大，随负载变化直流电压大幅变化。功率单元中的整流器采用基于5电平H桥（5LH）的单相桥式PWM整流（5L-AFE）可解决这问题，它的交流进线电流是按2倍PWM调制频率脉动的正弦波，谐波小且功率因数≈1，随负载变化直流电压的变化也小。

四象限5电平H桥功率单元示于图8，它由两个直流母线相联的5LH桥构成，一个整流，另一个逆变。逆变5LH桥与图6中的逆变桥相同。整流5LH桥（5L-AFE）接变压器三相付方绕组中的某一相。借助调制，它的交流输入电压v_hi是由五电平PWM方波构成的近似正弦电压，因交流输入回路中有进线电感（变压器漏感），故它的输入电流i_hi是锯齿形正弦波。5LH的正弦调制电压谐波小、等效开关频率高（2倍PWM调制频率），需要的进线电感小，变压器的漏感（5%左右）己足够，不用另加滤波元件。PWM整流允许功率双方向流动，所以这功率单元及用它构造的级联变频器能四象限工作。

功率单元中单相桥式5L-AFE输出的直流电流中含有大幅2倍电网频率的谐波，要求较大直流滤波贮能电容。单元中的逆变器也是单相5LH桥，其直流输入电流中含大幅2倍输出频率的谐波，即使单元采用三相整流也需设置大直流滤波贮能电容，不会因整流从三相改为单相桥式AFE而增加许多电容。

串联上述单元便构成四象限5L-CHB变频器。它的串联级数和功率单元数和上节介绍的二极管整流5L-CHB变频器一样，是常规3L-CHB变频器的1/2；它的变压器三相付方绕组数是上节介绍的二极管整流5L-CHB变频器的1/3，是常规3L-CHB变频器的1/6。因各单元的交流进线电流己近似正弦，变压器各组付方绕组不用再移相，更简化了它的设计和制造。

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TMEIC（东芝-三菱）公司推出的TMdrive-MVe2变频器采用此方案（图10），已用于我国的矿井提升和皮带机等传动系统^[4]。它使用1700V的IGBT，10/11kV变频器5级串联，6.6kV变频器3级串联，变压器可置于控制室外，直流贮能电容为薄膜电容。

5 结论

基于3电平H桥的常规级联变频器（3L-CHB）在我国中压调速领域应用最广泛。但因功率单元数多、变压器复杂及实现四象限运行麻烦，使之较难涉足高端传动应用领域。减少功率单元数量和简化变压器是这种级联变频器的主要改进方向。

把功率单元中的3电平H桥改为5电平H桥，可提高输出电压一倍，从而减少级联变频器的串联级数和功率单元数。两象限二极管整流5L-CHB变频器的串联级数、功率单元数和变压器三相付方绕组数是常规3L-CHB变频器的1/2。在四象限5L-AFE整流5L-CHB变频器中，功率单元的逆变和整流都采用单相5电平H桥，并把变压器三相付方绕组中点打开，每个单元只接其中某一相，每组三相付方绕组带3个功率单元，变压器付方绕组数可再减少2/3，使其减至常规3L-CHB变频器的1/6。由于5L-AFE整流的交流输入电流近似正弦，变压器各组付方绕组不需要移相，更简化了它的设计和制造。5L-AFE整流允许双方向功率流，因此该变频器可以四象限运行。

参考文献

[1]马小亮.新型油气压缩机用高压M2C变频器(Part-1)[J].变频器世界,2016,No. 12.

[2]马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统[M].北京:机械工业出版社,2010.

[3]C. R. Baier. Improving Power Quality in Cascade Multilevel Converters Based on Single-Phase

Nonregenerative Power Cells[J]. IEEE Trans. on Industrial Electronics,2014,No.9:4498-4509.

[4]曹永刚.IMdrive-MVe2高压变频器在本溪思山岭铁矿1800kW/10kV矿井提升机上的成功

应用[J].中国矿业,2015,No.7.

[5]马小亮.调速传动用四象限级联中压变频器[J].变频器世界,2013,No.8.