近年来，由于新型多电平" title="多电平">多电平逆变器具有输出容量大、适用于高电压和输出电压电流谐波含量小等优点，在中高压调速领域、交流柔性供电系统中得到了广泛的应用，成为中高压环境下能量处理的首选方案。对于多电平逆变器" title="电平逆变器">电平逆变器技术的研究,主要集中在两个方面：一方面对多电平逆变器的拓扑结构进行研究, 从简化结构、模块化的角度出发, 在现有的多" title="的多">的多电平拓扑结构的基础上，构造新的多电平拓扑结构；另一方面对多电平逆变器的调制策略" title="调制策略">调制策略进行研究, 考虑的重点是在权衡输出波形的谐波含量、开关损耗、电压利用率等因素的前提下,对相应的调制策略进行优化。与传统的二电平逆变器相比较, 多电平逆变器利用其独特的结构, 对不同的电平进行综合, 得到阶梯状的输出电压以提高输出电压范围, 减少输出电压谐波。最常用的多电平调制方法都是基于多载波的PWM 调制。但是, 对于具体的多电平结构, 面临的问题就是如何选用适合的调制策略, 以获得较好的性能^[1]。
　　本文通过对常用的载波移相PWM法和载波垂直分布PWM法进行研究，进而提出一种混合的多载波调制策略，并以单相五电平逆变器为例，对各种多载波PWM调制策略进行仿真研究。仿真结果表明，采用混合多载波调制策略的逆变器输出波形更好，谐波污染更小。

1 多电平逆变器的拓扑结构
　　常用多电平逆变器主要有三种拓扑结构：(1)二极管箝位型逆变器。(2)电容箝位型逆变器。(3)具有独立直流电源的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器适用于高输入电压的大功率逆变场合；而具有独立直流电源的级联型多电平逆变器适用于低输入电压、高输出电压的大功率逆变场合。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器拓扑是以半桥电路为基础的；而具有独立直流电源的级联型多电平逆变器是以全桥电路为基础的，将具有移相或不同导通角的多个全桥逆变器的交流侧串联起来，从而得到多电平的输出合成电压。
　　本文所讨论的五电平逆变器属于具有独立直流电源的级联型多电平逆变器。其一相电路的拓扑结构如图1所示。每个全桥式逆变器可产生三电平的输出电压：当a1、b2导通时，u₁=U；当b1、a2导通时，u₁=-U；其余开关状态下，u₁=0。逆变器的合成输出电压u₀=u₁+u₂，共包含五种电平。通过控制每个逆变桥的导通角可以使合成输出电压u₀的THD最小。
2 多载波PWM调制策略
　　逆变器的调制策略对输出电压谐波、开关损耗、电容电压的平衡等方面产生很大的影响。不同调制策略所综合出的波形也不一样，因此谐波分布特性也有差别。对于多电平逆变器，基于多载波的PWM调制策略是用于多电平拓扑结构最常用的方法。多载波PWM策略与两电平PWM技术相比，前者在开关利用、状态冗余、等效开关频率等方面，提供了额外的自由度和更多的可能性。
　　多载波调制技术的原理是利用一个调制信号波(通常为正弦波)与多个载波信号(一般为三角波)相交，来产生开关器件的驱动波形。多载波PWM调制技术可分为载波移相PWM和载波垂直分布PWM两类。
2.1 载波移相PWM
　　载波移相(PS)PWM方法采用了4个幅值和频率都相同的载波信号。将载波信号与参考正弦波信号进行比较，若参考信号大于三角载波，则相应与该载波信号的开关器件导通；反之若参考信号小于三角载波，则相应于该载波信号的开关器件关断。置于各开关器件的载波信号的初始相位依次移动90°。图2(a)～(f)显示了载波信号与参考波信号进行比较所产生的开关器件的门电压信号，以及逆变器的输出五电平波形。图3(a)所示为PS PWM调制方式下的谐波分析图。从图中可以看出，PS调制方式下，低次谐波含量比较小，但是高次谐波总含量较大，因此谐波畸变率较高，为36.33%。

2.2 载波垂直分布PWM
　　当采用载波垂直分布(CD)技术时，对于一个N电平的逆变器，需要N-1个载波信号，且这些载波具有相同的幅值与频率。按照连续的带宽对这些载波进行排列，使其完全分布在逆变器的线性调制区。参考正弦波的初始相位为0，且以0参考轴为中心。即在参考正弦波的正半周，参考波与0参考轴上的所有载波信号进行比较，每当参考波大于一个载波时，便输出一个正的电压，否则输出0电平；在参考波的负半周，参考波与0参考轴以下的所有载波进行比较，每当参考波小于一个载波时，便输出一个负的电压，否则输出0电平^[3-4]。
　　载波垂直分布PWM可分为以下两种情况：
　　(1)所有载波相位相同(PD)。载波和参考波分布以及逆变器输出波形如图4所示。图3(b)所示为PD PWM调制方式下的谐波分析图。从图中可以看出，相对于PS调制方式，PD调制方式下的输出波形的高次谐波总含量较小，但是低次谐波含量较大，其谐波畸变率为36.08%。

　　(2)对称轴上下载波反相(POD)。在0参考轴上与0参考轴下的载波互差180°。载波和参考波分布以及逆变器输出波形如图5所示。图3(c)所示为POD PWM调制方式下的谐波分析图。从图中可以看出，相对于PD调制方式，POD调制方式下的输出波形的低次谐波含量有所减少，但是高次谐波含量有所增加，其谐波畸变率为36.20%。
　　对于本小节所讨论的每一种调制技术，都包括三种自由度：(1)调制比m_a，各调制技术的m_a如表1所示，其中AO为参考信号波的幅值，A_cpp为载波信号的峰-峰值。(2)载波比m_f=f_c/f₀，其中f_c为载波信号的频率，fo为参考信号波的频率。(3)参考信号波与载波信号之间的相角差Φ，在本文的仿真过程中，Φ=0。

3 基于MATLAB/SIMULINK的混合多载波PWM调制技术仿真
　　由于采用PSP WM方法所产生的输出波形具有低次谐波含量较低的优点，采用CD PWM方法所产生的输出波形具有高次谐波含量较低的优点，因此结合这两种方法，本文提出一种混合PWM调制方法。图6所示为各门控信号发生器模型。脉冲控制模块包括参考正弦波发生电路(sin)和载波三角波发生电路(A、B、C、D)，它的主要工作原理是在同步时钟的控制下产生一个正弦波和一个三角波，然后将两者进行比较从而产生所需的控制脉冲。模型输出四路脉冲，根据控制需要，通过IGBT驱动电路，提供控制IGBT导通与关断的脉冲信号。

　　混合PWM调制技术的原理是将一个三角载波信号分成等带宽的四个载波信号，然后各载波信号依次移相90°。将移相后产生的新载波信号进行叠加后同参考波信号进行比较，产生的脉冲信号依次作为一个开关器件的门控信号。实现此功能的关键在于对载波信号发生器的设计，如图6中的A、B、C、D四个经过封装的模块。其内部结构如图7所示。各载波的移相通过模块LUT来实现。载波和参考波分布、电路产生的脉冲信号以及逆变器的输出波形如图8所示。图3(d)所示为混合调制方式下的谐波分析图。从图中可以看出，混合调制方式下输出波形的低次谐波含量相对于CD PWM调制方式有所降低，而高次谐波含量相对于PS PWM调制方式同样有所降低，其总的谐波畸变率为35.55%。