电压自平衡式多电平变频器拓扑结构优缺点

    2000年美国密执根大学的彭方正博士提出了一种电压自平衡的多电平拓扑，它不需要借助附加的电路来抑制直流侧电容的电压偏移问题，从理论上实现了一个真正的有实际应用价值的多电平结构，传统的二极管钳位式和电容钳位式电路拓扑也可以由它简化和发展而来。

    高压大容量多电平电路的一个技术难点就是中心电压的控制问题。对于三电平及以上电平数的拓扑，如果中心电压控制的不好，是不能有效的应用于大容量的电能变换场合的。对于以上几种拓扑结构，电压高于三电平时，或者是需要隔离的直流电流，或者是需要增加一个复杂的电路结构来帮助维持中点电压的平衡。这种新的拓扑结构具有电压自平衡的功能，对于各种逆变器控制策略和负载情况，都能有效的控制中点电压。

    图10-17    M级自平衡多电平结构的单相拓扑

    图10-17为M级自平衡多电平结构单相的拓扑。图10-18为五电平P2逆变器结构。由图可知，它是由一个两电平的相电路(a two-level phase leg)组成的多电平结构，又叫做P2多级逆变器。下面以图10-18电平电路为例，具体介绍它的原理和电路分析。

    图10-18    五电平P2逆变器结构

    在图10-18中，用实线标出的开关管Sp1～Sp4和Sn1～Sn4，二极管VDp1～VDp4和VDn1～VDn4是电路的主要器件，通过它们合适的开通和关断，可以产生希望得到的电压波形。其余的开关管和二极管的通断则起到了钳位和平衡电压的作用。每一级受到的电压应力是1Vdc，各级的电压平衡通过钳位开关管和钳位二极管实现。在电路拓扑中，开关的作用有如下规律：①每个开关极是一个独立的开关单元；②每个开关极相邻的任何两个开关都是互补性质的；③在一个开关极和周围互补开关组成的范围内，任何一个开关的状态一旦确定，其他开关的状态也即由电路规律随之确定。通过开关的通断来实现电压自平衡的工作原理。表10-4总结了当输出电压为0，1，2，3和4Vdc时的开关工作状态。表中只给出了Sp1～Sp4的工作状态，因为它们的状态唯一地确定了其余开关的状态。

    表10-4    输出电压分别为0，1，2，3和4Vdc时的开关工作状态

    注  “1”代表开通，“0”代表关断。

    这种电压自平衡的P2多电平拓扑的特点是：

   (1)该系统的电能损耗与电容量和开关频率成反比。提高开关频率和加入一些特定的开关可以大大减小损耗，提高系统效率。

   (2)与一般的二极管钳位和电容钳位式拓扑相同，该系统各级的中点电压都能得到很好的控制。

   (3)对一个M级电平的P2逆变器系统，所需的开关器件/二极管数目为MX(M-1)；需要的电容器数量为M×(M-1)/2。

   (4)计算简单，器件应力可达到最小化。

    对图10-18的系统进行简化和变形，可以得到传统的二极管钳位和电容钳位式多电平拓扑，以及一些其他的改进拓扑。去掉图10-18所示的钳位开关，可以得到二极管电容钳位的多电平系统，如图10-19 (a)所示。而去掉钳位开关和二极管，则得到电容钳位式的多电平系统，如图10-19 (b)所示。去掉钳位开关和电容，可得到二极管钳位式拓扑，如图10-20所示。再对调二极管的连接，可得到改进的背对背的二极管钳位式系统，如图10-21所示。

    图10-19    电容钳位式的多电平系统

   (a)二极管电容钳位式；(b)电容钳位式

    图10-20    二极管钳位式系统

    图10-21    改进的背对背式二极管钳位系统

    这种通用的多电平拓扑应用还包括，开关电容DC-DC变换器和倍压电路。此外，结合其他电路的使用还可实现双向的DC-DC变换。也可以用三电平单元代替两电平单元(P2)来实现多电平变频器。

    综上所述，二极管钳位式和电容钳位式系统由于存在均压问题，比较适合应用于无功调节场合，而在有功传递，如电机调速方面控制较难，需要实施额外的算法。在输入变压器成本允许的前提下，串联型结构以较低耐压器件实现高压大容量，由于电平数可以很多，网侧和输出侧谐波很低，若采用四象限整流，并与现代电机控制理论结合，将可以实现高性能四象限大容量交流电机变频调速，在交流传动领域的应用将很乐观。三相逆变器串联式可以保证均衡利用功率和变转矩负载条件的运行，并且对电网谐波污染小，可很好的用于中压(2300～4160V)的交流电机调速驱动系统。电压自平衡的P2多电平系统不需要大量的变压器，结构紧凑，功率因数高，无电磁干扰，损耗低，在多电平逆变器实现的领域上引起了广泛的关注和应用。

（作者稿费要求：需要高清无水印文章的读者3元每篇，请联系客服，谢谢！在线客服：）