高压大功率变换器拓扑结构的演化及分析和比较

本文引用地址： //m.amcfsurvey.com/article/179680.htm

4）在串级电路设计上可以使用功率单元旁路技术，这样当某个单元发生故障时，控制系统可以直接将故障单元旁路，电路仍可继续工作，只是输出电压略有下降；

5）串级电路的单元模块化为实际安装和使用提供了很大便利；

6）串级电路使用多副边绕组变压器，通过副边绕组的移相联接可以将电流谐波影响几乎减小到零，从而改善了电路的功率因数。

然而，串级电路结构的缺点也比较明显：

1）每个基本单元都用一个独立的直流电源供电，虽然使各个单元彼此隔离，但随着电平数增加，直流电源数也将增加；

2）使用的功率单元及功率器件数量较多，增加了投入，造价昂贵，且装置的体积大，需要占用一定的安装空间；

3）无法实现能量回馈及四象限运行，只适用于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备。

4.2 改进的级联型多电平变换器

当独立的直流电源电压相等，并且取E时，由m个单相全桥逆变单元组成的单相级联型多电平电路输出电平数为2m＋1。若将级联多电平变换器中各独立直流电源的电压分别取E，2E，4E，2mE，则其输出电平数大幅度地增加到2m－1，这就是改进的级联多电平变换器的思想，从更严格的意义上讲，它不是一种新的电路拓扑结构，说是一种控制策略更为合适。

图5为采用改进的级联多电平结构的GTO和IGBT混合型逆变电路。该逆变器的直流侧总电压为4.5kV，由GTO组成的高压单元承担3kV，由IGBT构成低压单元承担1.5kV。采用合适的控制策略，可以在输出合成由－4.5kV，－3kV，－1.5kV，0，1.5kV，3kV，4.5kV等7电平构成的阶梯波，如表1所列。和电压相等的普通级联多电平电路相比，输出电压的级数由5增加到7。将波形合成策略和脉冲宽度调制PWM策略相结合，可以得到一种非常适合于该种混合型级联多电平逆变器的控制策略，即较高电压的GTO逆变单元以输出电压的基波频率为切换频率；而较低电压的IGBT逆变单元则在较高的频率下进行脉冲宽度调制，以此来改善输出波形。GTO和IGBT在电路中的作用有所不同，GTO主要用来承担电压，而IGBT用来改善波形。图6为混合逆变电路仿真输出波形，其中图6（a）为GTO输出波形，开关频率为基波频率，图6（b）为IGBT输出波形，载波频率为4kHz。级联型多电平变换器中各独立直流电源的电压还可以分别取E，3E，9E，3mE，则其输出的电平数大幅度地增加到3m。但由于电压以2m或者3m倍数增加，而器件的耐压有限，所以，改进型级联多电平电路的串联级数不能无限增加，实际系统的级联数目最多不会超过3。

图5 改进型级联逆变器主电路

(a) GTO输出波形

(b) IGBT输出波形

(c) 合成后的输出波形

图6 改进型级联逆变器输出波形

表1 改进的级联多电平变流器各输出电平组合情况（V_dc=2V_dc=2E）

Vdc	GTO单元的输出电压	IGBT单元的输出电压
3E	2E	E
2E	2E	0
E	0	E
E	2E	－E
0	0	0
－E	0	－E
－E	－2E	E
－2E	－2E	0
－3E	－2E	－E

5 结语

近年来，多电平变换器在高压大功率场合越来越受到重视。在这些拓扑结构中，级联型H桥拓扑结构特别有吸引力，因为，它可以实现模块化以及控制简单等优点，但是，存在需要很多独立直流电压源的缺点，因此，发展了混合级联型等拓扑结构，在相同情况下，可以大量提高电平数量。随着变频技术的发展，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积木”PEBB（Power Electronics Building Block）技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，这也为多电平变换电路拓扑的发展提供了有力的技术支持，这必将会促进中高压功率变换技术的进一步发展。