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第1章　概述 1

1.1　定义和研制背景 1

1.1.1　定义 1

1.1.2　SPWM多电平逆变器的研制背景 2

1.2　发展过程和应用领域 5

1.2.1　SPWM多电平逆变器的发展过程 5

1.2.2　SPWM多电平逆变器的应用领域 5

1.3　基本工作原理、分类及特点 6

1.3.1　传统SPWM多电平逆变器的工作原理与分类 6

1.3.2　传统SPWM多电平逆变器的特点 8

1.4　SPWM多电平逆变器的基本单元分析法 9

1.4.1　基本单元 10

1.4.2　SPWM多电平逆变器的基本单元组成 10

1.5　SPWM多电平逆变器所用的开关器件 12

1.5.1　晶闸管（SCR） 12

1.5.2　可关断晶闸管（GTO） 14

1.5.3　绝缘栅双极晶体管（IGBT） 16

1.5.4　集成门极晶闸管（IGCT） 17

1.5.5　开关器件的选择 17

1.6　级联式多电平逆变器的结构及H桥功率单元 19

1.6.1　级联式多电平逆变器的优缺点 20

1.6.2　基本功率单元H桥的定义及典型级联结构 20

第2章　H桥的构成及工作原理 22

2.1　基本单元单相半桥式两电平逆变器 22

2.2　2H桥的构成及其工作原理 27

2.2.1　采用两电平SPWM控制法求解uab 28

2.2.2　用单极性载波三角波SPWM控制法求解uab 33

2.3　二极管钳位3H桥的构成及其工作原理 35

2.3.1　二极管钳位式三电平逆变器 36

2.3.2　二极管钳位式三电平逆变器的输出电压表示式 38

2.3.3　采用层叠式SPWM控制法求解uAO 40

2.3.4　二极管钳位3H桥逆变器 43

2.4　电容钳位3H桥的构成及其工作原理 44

2.4.1　电容钳位式三电平逆变器 45

2.4.2　电容钳位3H桥逆变器 47

2.5　混合钳位3H桥的构成及其工作原理 48

2.5.1　混合钳位式三电平逆变器的结构原理 49

2.5.2　混合钳位3H桥逆变器 51

2.6　2H桥与3H桥的内在关系与应用比较 52

2.6.1　2H桥与钳位式三电平逆变器的输出电压 52

2.6.2　3H桥、2×2H桥与钳位式五电平逆变器的输出电压 54

2.6.3　2H桥、钳位式多电平逆变器及3H桥的对比 61

第3章　H桥的SPWM级联叠加 63

3.1　H桥级联SPWM多电平逆变器的结构与特点 63

3.2　H桥级联的条件及级联的种类 64

3.2.1　H桥级联叠加的条件 65

3.2.2　H桥级联叠加的种类 66

3.3　IGBT-2H桥级联叠加SPWM多电平逆变器 67

3.3.1 SPWM-2H桥的串联级联叠加 68

3.3.2　SPWM-2H桥的并联级联叠加 71

3.3.3　SPWM-2H桥的串-并联级联叠加 72

3.3.4　SPWM-2H桥串-并联级联叠加的控制电路 73

3.4　IGBT-3H桥级联叠加SPWM多电平逆变器 75

3.4.1　采用反相层叠SPWM控制的3H桥逆变器 75

3.4.2　IGBT-3H桥的串联级联叠加 79

3.4.3　IGBT-3H桥的并联级联叠加 80

3.4.4　IGBT-3H桥的串-并联级联叠加 81

3.4.5　IGBT-3H桥串-并联级联叠加的控制电路 82

3.5 IGBT-2H桥与3H桥的混合级联叠加逆变器 84

3.5.1　一个2H桥与一个钳位式三电平逆变器的级联叠加 84

3.5.2　一个2H桥与一个3H桥的混合级联叠加 85

3.6　不同开关器件、不同直流电压的2H桥的级联叠加 87

3.6.1 用GTO与IGBT做开关的两级2H桥串联级联叠加 88

3.6.2　用GTO与IGBT做开关的三级2H桥串联级联叠加 92

3.6.3　采用不同开关器件、不同直流电压的其他2H桥的级联叠加方式 94

3.7　不同开关器件、不同直流电压的2H桥与3H桥的混合级联叠加 96

3.7.1　2H桥与3H桥的混合级联叠加 99

3.7.2　2H桥与不对称3H桥的混合级联叠加 103

3.8　2H桥的三进制（3 N-1）级联叠加 106

3.8.1 两个2H桥3 N-1级联叠加式九电平逆变器 109

3.8.2　三个2H桥3 N-1级联叠加式二十七电平逆变器 115

3.9　公用一个桥臂的2H桥二进制（2 N-1）级联叠加 118

3.9.1　两个2H桥臂级联叠加式七电平逆变器 120

3.9.2　三个2H桥臂级联叠加式十五电平逆变器 124

3.9.3 四个2H桥臂级联叠加式三十电平逆变器 130

3.10　三相半桥式逆变器的级联叠加 135

3.10.1 三相半桥式SPWM逆变器的输出电压表示式 135

3.10.2　三相半桥式SPWM逆变器的级联叠加方式 140

3.10.3　三相半桥式SPWM逆变器的串-并联混合级联叠加 144

3.11 三相SPWM逆变器的线电压串联级联叠加 148

3.11.1 电路中的电压、电流和功率关系 149

3.11.2　控制方式、特点和扩展 152

3.12　开绕组双端供电电路 153

第4章　H桥SPWM级联叠加的控制方法 158

4.1 H桥SPWM级联叠加的控制 158

4.1.1 H桥SPWM级联叠加的必备条件 159

4.1.2　H桥级联的主要叠加方式与控制方法 161

4.2　基本单元两电平SPWM控制法 163

4.2.1　2H桥级联叠加的输出电压 166

4.2.2　2H桥级联的控制电路及仿真波形 167

4.3 载波三角波移相SPWM控制法（CPS-SPWM） 171

4.3.1　与基本单元两电平SPWM控制法的关系 174

4.3.2　双极性载波三角波移相SPWM控制法的输出电压表示式 176

4.3.3　单极性载波三角波移相SPWM控制法的输出电压表示式 177

4.4　载波三角波层叠式SPWM控制法 179

4.4.1 载波三角波单层层叠式SPWM控制法 179

4.4.2　载波三角波多层层叠式SPWM控制法 182

4.4.3　五电平逆变器的输出电压表示式 184

4.4.4　七电平逆变器的输出电压表示式 187

4.4.5 电平数为N+1，载波层数为N时uA的通用表示式 189

4.5　载波三角波分段层叠式SPWM控制法 189

4.5.1　不同开关器件2H桥混合级联的分段层叠式SPWM控制法 190

4.5.2　不同开关器件2H桥与3H桥级联叠加的分段层叠式SPWM控制法 192

4.6　开关频率优化SPWM控制法 196

4.7　性能指标的实现与性能对比 199

4.7.1　各种SPWM控制法的消谐波性能 199

4.7.2　电容电压的平衡控制 201

第5章　独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器 202

5.1 引言 202

5.2　SPWM直流电源逆变器 203

5.3　独立直流电源的级联叠加方式 205

5.4　独立SPWM直流电源的级联叠加 210

5.4.1　两个独立SPWM直流电源的级联叠加 210

5.4.2　五个独立SPWM直流电源的级联叠加 211

5.5　独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器 212

5.5.1　两个独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器 212

5.5.2　五个独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器 216

5.5.3　独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器的同族电路 219

5.6　独立直流电源N×N′双级联串联叠加多电平逆变器 221

5.6.1　独立直流电源2×2双级联串联叠加多电平逆变器 221

5.6.2　独立直流电源3×2双级联串联叠加多电平逆变器 223

5.7　独立直流电源N×N′双级联串-并联叠加多电平逆变器 226

5.7.1　独立直流电源2×2双级联串-并联叠加多电平逆变器 226

5.7.2　独立直流电源3×2双级联串-并联叠加多电平逆变器 228

5.8　采用二极管的二进制（2 N-1）级联叠加式多电平逆变器 230

5.8.1　逆变器的工作波形 230

5.8.2　逆变器的PWM控制 231

5.8.3　采用二极管的二进制级联叠加式三十电平逆变器 234

5.9　独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器的特点与开发前景 239

5.10　叠加控制开关的ZVS和ZCS电路 244

第6章　直流电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器 246

6.1 引言 246

6.2　电容分压直流电源的级联叠加 247

6.3 电容分压SPWM直流电源的级联叠加 250

6.4 电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器 251

6.4.1　逆变方式与控制电路 251

6.4.2　单相电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器 253

6.4.3　电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器的同族电路 257

6.5 电容分压直流电源N×N′双级联串联叠加多电平逆变器 261

6.5.1 电容分压2×2双级联串联叠加多电平逆变器 262

6.5.2　电容分压3×2双级联串联叠加多电平逆变器 264

6.6　电容分压直流电源N×N′双级联串-并联叠加多电平逆变器 266

6.6.1 电容分压直流电源2×2双级联串-并联叠加多电平逆变器 266

6.6.2　由容分压直流电源3×2双级联串-并联叠加多电平逆变器 268

6.7 电容分压SPWM直流电源级联式多电平逆变器的特点与发展前景 270

6.8　变压器初级磁合成的推挽式多电平逆变器 277

6.8.1 变压器初级磁合成推挽式多电平逆变器的构成与工作原理 279

6.8.2　控制方式 280

6.8.3　变压器初级磁合成推挽式多电平逆变器的串、并联级联叠加 282

第7章　H桥的多重叠加 286

7.1 引论 286

7.2　N个2H桥多重叠加的谐波分组特性及“消去法” 287

7.2.1　多重叠加的谐波分组特性 288

7.2.2　多重叠加的“消去法” 291

7.3　N个2H桥多重叠加的余弦规律 294

7.3.1　N=6或N=9的多重叠加方式 298

7.3.2　N=6的余弦规律合成法应用实例 299

7.4　多重叠加法的PWM调制 301

7.4.1 阶梯起点角在分点上 303

7.4.2　阶梯波起点角在分点之间 304

7.5 多重叠加法PWM调制的应用举例 305

7.5.1　6个2H桥实现5个方波电压的叠加 306

7.5.2　6个2H桥实现5个方波电压叠加的PWM控制 311

7.6　三相逆变器的多重叠加 315

7.6.1　N′＝2的三相方波电压的多重叠加 316

7.6.2　4个三相逆变器多重叠加组成的UPS电源 322

7.7　4个三相逆变器的？-△多重叠加式逆变器 329

第8章 电流型H桥及TPWM直流电流源级联式逆变器 339

8.1　定义和特点 339

8.2 电流型逆变器的PWM调制与级联叠加 341

8.2.1 电流型逆变器的PWM控制法及特点 342

8.2.2　电流型逆变器的级联叠加 344

8.3 三相典型电流型TPWM逆变器及其并联级联叠加 345

8.3.1 三相典型电流型TPWM逆变器 345

8.3.2　三相典型电流型TPWM逆变器的并联级联叠加 349

8.4　2H桥三相电流型TPWM逆变器及其并联级联叠加 350

8.4.1 2H桥三相电流型TPWM逆变器 350

8.4.2　2H桥三相电流型TPWM逆变器的并联级联叠加 353

8.5　TPWM直流电流源级联式多电平逆变器 354

8.5.1　TPWM直流电流源逆变器 354

8.5.2　TPWM直流电流源级联式多电平逆变器简介 357

8.6　TPWM直流电流源N×N′双级联并联叠加多电平逆变器 361

8.7　TPWM直流电流源级联式多电平逆变器的特点与开发前景 363

8.8　TPWM直流电流源并联级联式多电平逆变器的应用 365

第9章　应用举例 368

9.1 引言 368

9.2　2H桥级联式变频器 370

9.2.1　30相输入整流电路 370

9.2.2　2H桥级联式十一电平逆变电路 372

9.3　采用2H桥级联式多电平逆变器的中压变频器实例 374

9.3.1 日本东芝公司生产的TOSVERT-MV变频器 374

9.3.2　美国罗宾康公司的完美无谐波变频器 377

9.3.3 日本三菱电机公司的PMT-F500HV变频器 379

9.4　独立SPWM直流电源级联式多电平逆变器在变频器中的应用 380

9.4.1　在完美无谐波变频器中的应用 380

9.4.2　在电动汽车驱动系统中的应用 382

9.5　多电平逆变器在大功率UPS中的应用 386

9.5.1　独立SPWM直流电源级联叠加式UPS 387

9.5.2　采用二极管的二进制（2 N-1）级联叠加式UPS 392

9.6　2H桥级联叠加逆变器在静止同步补偿器中的应用 399

9.7　采用2H桥级联叠加逆变器的电力有源滤波器 404

9.7.1　参考电流的检测 405

9.7.2　CSAPF的无差拍控制方式 406

参考文献 410

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