5.4.3 级联式逆变器
构成大容量逆变器时，很多时候采取将小功率的基本模块组合起来构成多重化的方法。这样做的第一个理由是通过生产的基本模块可以有各种各样丰富的组合，关系到生产成本的降低。另一个理由是由于各个模块产生波形的相位或PWM开关载波的相位能被相互错开，所以可以获得总谐波含量更少的输出波形。特别是逆变器配备的微控制器程序最近可以自由改写，这使得组合的自由度变得非常大。多重化逆变器包括用于CVCF逆变器和VVVF逆变器两种方式。
1.输出变压器耦合型级联逆变器
通过变压器将两台以上电压型逆变器的输出电压进行重叠，可以得到输出电压更高的电压源。但是，由于在输出侧有变压器，所以不能进行调频，而是作为CVCF变换器在并网方面有广泛的应用。各台逆变器产生的电压相位相互错开，可得阶梯波合成电压，从而减少输出谐波。图5.46所示为两台变换器进行多重化的举例，这是第2台变换器错开60/n=30°（n是台数）相位的情况。构成电压源时没有设置零电压段，所以第1台（基准逆变器）各桥路输出180°导通的方波电压（ea、eb），对变压器绕组施加线电压（eab），则变为了120°导通的方波。另一方面，第2台变压器的各相二次绕组都有两个，与第1台变压器的二次绕组按照图示的极性进行连接，可得多段的阶梯波电压。本方式是电源切换型功率变换。
图5.46 利用输出侧变压器进行多重化的直流-交流变换电路举例
2.输入变压器耦合型级联逆变器
用于输出频率可调的电动机驱动VVVF或者VCVF逆变器进行多重化时，由于在输出侧不能安装变压器，所以采用在输入侧由变压器进行分离的方式。另一方面，由于三相逆变器的多重化在多台间的连接很困难，所以一定要通过单相的变换装置单元进行多台级联来实现多重化，图5.47所示为3台多重化的组成举例。变换装置单元带有独立的变压器、整流电路（SDA-8）、逆变电路（SDA-4）和控制电路，形成单个变换装置。对于输入侧，设计了具有不同移相角的3台绝缘变压器，使得各个单元中的输入电流相位错开，以便减少整体输入电流中的谐波电流含量（参考6.2.7节）。各单元的逆变电路（SDA-4）输出单一脉冲的可调幅值方波（3个单元中都是120°以下的导通角），或是通过控制产生PWM波形来实现电压可调。为了便于说明，图5.47b所示为控制为100°导通角的单一脉冲波形以30°相位差进行3台级联后合成的波形。本功率变换装置用于电动机的驱动器，所以持流电抗器借用了电动机的绕组电感来实现。例中的变换装置单元采用了SDA-8，所以功率向一个方向流动，而不能进行再生回馈，因此这种装置适用于没有再生过程的大容量水泵和压缩机的驱动。
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图5.47 利用输入侧变压器进行多重化的交流-交流变换电路举例
在这里观察一下图5.47b中U相电压的合成波形。各个单元的电压都有零电压值，在这个时间内其他单元输出电压，但并不一定会形成零电压段，需要三相一起来考虑。另外，合成波形的零电压时间也可能延长，或是各单元施加PWM控制，从而形成零电压时间段，所以本变换装置基本上被定义为复合型功率变换。
例5.10
对于三相逆变器，判断零电压时间段的方法比较模糊，通过明确地定义电压基本空间矢量、电路动作以及输入输出隔离与否三者间的情况，试说明功率变换方式的基本判断方法。
图5.48 三相逆变器的动作波形和各开关区间电流环路的变化
解 图5.48a所示为图5.42b中三相逆变器的动作波形，图中增加了电流波形ia和各区间的基本空间矢量值，各区间的动作和电流环路的关系如图5.48b～f所示。请注意，图5.48a中的①～⑤期间，电流ia以负值向上增加，ic以负值向下减少，ib=-（ia+ic）处于相对被动的状态。
三相逆变器时，零电压时间段与输入输出隔离间的对应关系随着电流的流向而变化，从而避免不了模棱两可的问题。例如，尽管图5.48d和f都施加了相同的基本空间矢量E（011），然而由电流的流向可知输入输出隔离的情况会有所不同。图5.48d中的c相变为回馈状态，它的能量给予了a相，所以它和输入处于隔离状态。因为可变电荷量基本上是起因于输入输出隔离的有无，所以在零电压空间矢量E（000）和E（111）期间输入输出间确实被隔离，它们的存在决定了功率变换的方式。