目前，国内外高压变频器种类很多，但还没有形成像低压变频器那样近乎统一的拓扑结构。日本长冈科技大学的A Nabae等人于1980年首次提出三电平逆变器，为高压大容量电压型逆变器的研制开辟了一条新思路。一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦波输出电压。这种变换器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，无需均压电路，开关损耗小，dU/dT较小，对电机绝缘十分有利。
单元串联多电平PWM电压源型变频器正是基于这一思想，采用若干个低压PWM变频功率单元串联的方式实现直接高压输出。该变频器对电网谐波污染小，谐波输入电流很低，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置。
1 变频器的结构及工作原理
单元串联多电平变频器采用若干个低压功率单元串联方式实现高压输出。以6kV输出电压等级变频器为例，电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后向功率单元供电，功率单元为三相输入、单相输出的交-直-交PWM电源型逆变器结构。将相邻功率单元的输出端串接起来，形成Y联结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。各功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组间相互绝缘。
6kV变频器的输入变压器实行多重化设计，以达到降低输入谐波电流的目的。变压器副边有15个二次绕组，采用延边三角形联结，分为5个不同的相位组，互差12°电角度。每相由5个功率单元串联而成时，形成30脉波的二极管整流电路结构。所以理论上29次以下的谐波都可以消除，输入电流波形接近正弦波，总的谐波电流失真率可低于1%。在变压器二次绕组分配时，组成同一相位组的每三个二次绕组，分别给属于电动机三相的功率单元供电。这样，即使在电动机电流出现不平衡的情况下，也能保证每个相位组的电流基本相同，达到理想的谐波抵消效果。
每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6kV左右，如图1所示。每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1/5的相电压和1/15的输出功率。变压器的15个二次绕组经过熔断器，分别接到每个功率单元三相二极管整流桥的输入端，功率单元的结构如图2所示，功率单元的电压等级和串联数量决定了变频器输出电压，功率单元的额定电流决定变频器输出电流。三相交流电整流后经滤波电容滤波形成直流母线电压，由于输入变压器阻抗设计得较大（一般为8%左右），直流环节不必设置低压变频器那样的预充电限流电阻。当功率单元额定电压为690V时，直流母线电压为900V左右。逆变器由4个 耐压为1700V的IGBT模块组成H桥式单相逆变电路，通过PWM控制，在T1和T2两端得到变压变频的交流输出，输出电压为单相交流0～690V，频率为0～50Hz（根据电动机的额定功率，可以响应调整，最高可达120Hz）。
图1 6kV变频器主电路拓扑结构
图2 功率单元原理图
由于变频器不是用传统的器件串联的方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以不存在器件串联引起的均压问题。
2 变频器的SPWM控制技术
逆变器输出采用多电平移相式PWM技术，同一相的功率单元，输出相同幅值和相位的基波电压，但串联各单元的载波之间互相错开一定电角度，实现多电平PWM，叠加以后输出电压的等效开关频率和电平数大大增加，输出电压非常接近正弦波。对于6kV的变频器，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，采用5个依次相移为72°的三角载波和参考波比较，产生PWM控制信号，使逆变器输出相电压有11种电平，而对应的线电压则有21种电平。这种变频器对电动机没有特殊的要求，可用于普通的高压电动机，且不必降额使用。
每个功率单元脉冲控制都是采用SPWM控制，逆变器的控制脉冲波形，由参考正弦波和三角波比较产生。实际上，为了防止同一桥臂上下管子同时导通，必须设定互锁延时，即存在一定的死区时间，在死区时间内上下桥臂IGBT均处于截止状态，输出电压由输出电流的方向决定（电流方向决定电流流经哪个续流二极管，从而决定输出电压极性），严格说来，此时输出电压处于不可控状态。由于单元内PWM的载波频率很小，死区电压的误差占的比重很小，可以忽略不计，不必采用像低压变频器那样的死区电压误差补偿电路。功率单元与主控系统之间通过光纤进行通信，以解决强弱电之间的隔离问题和干扰问题。
根据功率单元结构，每个功率单元的逆变电路存在4种不同的开关组合：VT1和VT4同时导通，T1和T2之间输出正的直流母线电压；VT2和VT3同时导通，输出负的直流母线电压；VT1和VT3同时导通，或者VT2和VT4同时导通，输出电压为0。所以，4种不同的开关状态，输出3种不同的电平，分别为+U、0和-U（U为单元直流母线电压）。
3 仿真分析
采用Matlab软件内部所含的Simulink工具箱对6kV电压等级的变频器进行了仿真，仿真电路中取M为0.85，三角型载波频率为600Hz，图3为6kV电压等级的变频器相电压仿真波形, 图4为变频器输出的线电压波形和谐波分析。从图3、图4中可以看出，变频器每相有0、±U、±2U、±3U、±4U、±5U共11种电平，而对应的线电压则有21种电平。由于采用多电平技术，稳态时输出电压、电流非常接近正弦波，总的电压谐波失真为5.38%，大大低于普通的电流源型变频器和三电平变频器，改善了输出波形，降低了输出谐波。
图3 6kV变频器的输出相电压波形
图4 变频器输出线电压波形和谐波分析
从图4还可以看出，由于采用多电平移相式PWM控制，输出的谐波频率主要集中在4.5～7.5kHz范围内，且都低于5%。对于一般的电动机来说，工频时阻抗为16%左右，所以对于5kHz的谐波而言，其阻抗约为1600%，所产生的各次谐波电流均小于0.5%，基本上不会产生谐波发热、噪声和转矩脉动，电动机的转矩脉动分量极小，因而，谐波引起的电动机发热、噪声和转矩脉动都将大大降低，可以不必设置输出滤波器，使用普通的异步电动机。
4 结 语
单元串联多电平PWM电压源型变频器与采用高压器件直接串联的变频器相比，因为功率单元中采用目前低压变频中广泛使用的低压IGBT功率模块，技术成熟、可靠。门极驱动功率较低，驱动线路非常简单，系统在效率方面仍具有较大的优势，变频器效率可达98.5%以上。而且由于功率单元采用模块化结构，所有的功率单元可以互换，维修也比较方便，采用功率单元自动旁路技术还可以使变频器在功率单元损坏的情况下继续运行（降额运行），大大提高了系统的可靠性。
单元串联多电平PWM电压源型变频器结构独特的拓扑形式和显著的性能优点，使其非常适用于风机、泵类等的变频调速。目前，美国罗宾康公司和国产的单元串联多电平PWM电压源型变频器已经在国内许多行业中得到了推广和普及，且收到了很好的节能效果，因而该类变频器在交流传动领域的应用前景非常乐观。
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