高压大功率变换器拓扑结构的演化及分析和比较

摘要：阐述了高压大功率变换器拓扑结构的发展，同时对它们进行了分析和比较，指出各自的优缺点，其中重点介绍了级联型拓扑结构并给出了仿真波形。

关键词：多电平变换器；拓扑结构；高压大功率

0 引言

变频调速技术的飞速发展为变频器性能的提高提供了技术保障，而环保和节能的客观需要，又为变频器在生产和生活的各个领域中的应用提供了发展空间，但是，随着国民经济的发展，小容量变频器已越来越不能满足现代化生产和生活的需要。目前，我国采用的变频调速装置基本上都是低压的，即电压为380～690V，而在节能方面起着更主要作用的高电压大容量变频器在我国尚处于起步阶段。是什么原因阻碍了高压大功率变频调速技术的应用呢？主要原因一是大容量（200kW以上）电动机的供电电压高（6kV或者10kV），而电力电子器件的耐压等级和所承受的电流的限制，造成了电压匹配上的困难；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本高，而一般的风机、水泵等节能改造项目都希望低投入、高回报，较少考虑社会效益和综合经济效益。这两个原因使得高压变频调速技术的发展和推广受到了限制，因此，提高电力电子变流装置的功率容量，降低成本，改善其输出性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一，也是当前世界各国相关行业竞相关注的热点，为此，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，虽然其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高压大容量这一难题。

1 大功率电力电子变流装置的拓扑学进展

近年来，各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样具有近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高—低—高型；根据有无中间直流环节，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器。在交—直—交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，又可分为电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电流型)。高—低—高型变频器采用变压器实行降压输入、升压输出的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动机两端来看是高压的，这是受到功率器件电压等级限制而采取的变通办法。由于需要输入、输出变压器，而存在中间低压环节电流大、效率低、可靠性下降、占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压电动机的简单调速。常规的交—交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。

下面对直接高压大功率电力电子装置拓扑结构作一个分类，分类是针对单个器件的电压或电流承受能力往往不能适应容量要求这一特点进行的，为此，把大功率电力电子变流装置的拓扑结构分为两类：

1）以器件串联为基础的桥臂扩展型结构；

2）以变流单元电路串联为基础的多单元变流器结构。

这种分类方式从电路构成的角度揭示了名种拓扑结构的内在联系。按照这种分类方式，多管串联的两电平变换电路，二极管钳位和飞跨电容钳位型多电平拓扑属于以器件串联为基础的桥臂扩展型结构；级联型多电平变流器属于以变流单元电路串联为基础的多单元变流器结构。

2 高—低—高结构

该种结构将输入高压经降压变压器变成380V的低压，然后用普通变频器进行变频，再由升压变压器将电压变回高压。很明显，该种结构的优点是可利用现有的低压变频技术实现高压变频，易于实现，价格低；其缺?是系统体积大、成本高、效率低、低频时能量传输困难等。

3 器件串联拓扑结构

3.1 多管串联的两电平变换电路

将器件串联使用，是满足系统容量要求的一个简单直观的办法。串联在一起的各个器件，被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑，控制策略和控制方法；其缺点是串联开关管需要动态均压和静态均压。这是因为串联器件开、关时间不一致，最后开通或最先关断的器件将承受全部电源电压，这就必然影响到它的可靠运行，所以，电力电子器件串联运行时应有相应的均压措施，而均压电路使系统复杂化，损耗增加，效率下降。另外，为使串联器件同时导通和关断，对驱动、控制电路的要求也大大提高。图1为多管串联的两电平主电路拓扑结构。

图1 多管串联的两电平变换拓扑

3.2 中点钳位型多电平拓扑结构

3.2.1 二极管钳位型多电平结构

为了解决器件直接串联时的均压问题，逐渐发展出以器件串联为基础，各器件分别控制的变流器结构。在这方面，日本学者A.Nabae于1983年提出的中点钳位型PWM逆变电路结构具有开创性的意义。单相中点二极管钳位型变流器的结构如图2所示，该变流器的输出电压为三电平。如果去掉两个钳位二极管，这种变流器就是用两个功率器件串联使用代替单个功率器件的半桥逆变电路。由于两个钳位二极管的存在，各个器件能够分别进行控制，因而避免了器件直接串联引起的动态均压问题。与普通的二电平变流器相比，由于输出电压的电平数有所增加，每个电平幅值相对降低，由整个直流母线电压降为一半直流母线电压，在同等开关频率的前提下，可使输出波形质量有较大的改善，输出dv/dt也相应下降，因此，中点钳位型变流器显然比普通二电平变流器更具优势。

图2 二极管钳位型三电平逆变器拓扑