高壓大功率變換器拓撲結構的演化及分析和比較

摘要：闡述了高壓大功率變換器拓撲結構的發(fā)展，同時(shí)對它們進(jìn)行了分析和比較，指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，其中重點(diǎn)介紹了級聯(lián)型拓撲結構并給出了仿真波形。

關(guān)鍵詞：多電平變換器；拓撲結構；高壓大功率

0 引言

變頻調速技術(shù)的飛速發(fā)展為變頻器性能的提高提供了技術(shù)保障，而環(huán)保和節能的客觀(guān)需要，又為變頻器在生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域中的應用提供了發(fā)展空間，但是，隨著(zhù)國民經(jīng)濟的發(fā)展，小容量變頻器已越來(lái)越不能滿(mǎn)足現代化生產(chǎn)和生活的需要。目前，我國采用的變頻調速裝置基本上都是低壓的，即電壓為380～690V，而在節能方面起著(zhù)更主要作用的高電壓大容量變頻器在我國尚處于起步階段。是什么原因阻礙了高壓大功率變頻調速技術(shù)的應用呢？主要原因一是大容量（200kW以上）電動(dòng)機的供電電壓高（6kV或者10kV），而電力電子器件的耐壓等級和所承受的電流的限制，造成了電壓匹配上的困難；二是高壓大功率變頻調速系統技術(shù)含量高，難度大，成本高，而一般的風(fēng)機、水泵等節能改造項目都希望低投入、高回報，較少考慮社會(huì )效益和綜合經(jīng)濟效益。這兩個(gè)原因使得高壓變頻調速技術(shù)的發(fā)展和推廣受到了限制，因此，提高電力電子變流裝置的功率容量，降低成本，改善其輸出性能是現代電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向之一，也是當前世界各國相關(guān)行業(yè)競相關(guān)注的熱點(diǎn)，為此，國內外各變頻器生產(chǎn)廠(chǎng)商八仙過(guò)海，各有高招，雖然其主電路結構不盡一致，但都較為成功地解決了高壓大容量這一難題。

1 大功率電力電子變流裝置的拓撲學(xué)進(jìn)展

近年來(lái)，各種高壓變頻器不斷出現，可是到目前為止，高壓變頻器還沒(méi)有像低壓變頻器那樣具有近乎統一的拓撲結構。根據高壓組成方式，可分為直接高壓型和高—低—高型；根據有無(wú)中間直流環(huán)節，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器。在交—直—交變頻器中，根據中間直流濾波環(huán)節的不同，又可分為電壓源型(也稱(chēng)電壓型)和電流源型(也稱(chēng)電流型)。高—低—高型變頻器采用變壓器實(shí)行降壓輸入、升壓輸出的方式，其實(shí)質(zhì)上還是低壓變頻器，只不過(guò)從電網(wǎng)和電動(dòng)機兩端來(lái)看是高壓的，這是受到功率器件電壓等級限制而采取的變通辦法。由于需要輸入、輸出變壓器，而存在中間低壓環(huán)節電流大、效率低、可靠性下降、占地面積大等缺點(diǎn)，只用于一些小容量高壓電動(dòng)機的簡(jiǎn)單調速。常規的交—交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場(chǎng)合。

下面對直接高壓大功率電力電子裝置拓撲結構作一個(gè)分類(lèi)，分類(lèi)是針對單個(gè)器件的電壓或電流承受能力往往不能適應容量要求這一特點(diǎn)進(jìn)行的，為此，把大功率電力電子變流裝置的拓撲結構分為兩類(lèi)：

1）以器件串聯(lián)為基礎的橋臂擴展型結構；

2）以變流單元電路串聯(lián)為基礎的多單元變流器結構。

這種分類(lèi)方式從電路構成的角度揭示了名種拓撲結構的內在聯(lián)系。按照這種分類(lèi)方式，多管串聯(lián)的兩電平變換電路，二極管鉗位和飛跨電容鉗位型多電平拓撲屬于以器件串聯(lián)為基礎的橋臂擴展型結構；級聯(lián)型多電平變流器屬于以變流單元電路串聯(lián)為基礎的多單元變流器結構。

2 高—低—高結構

該種結構將輸入高壓經(jīng)降壓變壓器變成380V的低壓，然后用普通變頻器進(jìn)行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種結構的優(yōu)點(diǎn)是可利用現有的低壓變頻技術(shù)實(shí)現高壓變頻，易于實(shí)現，價(jià)格低；其缺?是系統體積大、成本高、效率低、低頻時(shí)能量傳輸困難等。

3 器件串聯(lián)拓撲結構

3.1 多管串聯(lián)的兩電平變換電路

將器件串聯(lián)使用，是滿(mǎn)足系統容量要求的一個(gè)簡(jiǎn)單直觀(guān)的辦法。串聯(lián)在一起的各個(gè)器件，被當作單個(gè)器件使用，其控制也是完全相同的。這種結構的優(yōu)點(diǎn)是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓撲，控制策略和控制方法；其缺點(diǎn)是串聯(lián)開(kāi)關(guān)管需要動(dòng)態(tài)均壓和靜態(tài)均壓。這是因為串聯(lián)器件開(kāi)、關(guān)時(shí)間不一致，最后開(kāi)通或最先關(guān)斷的器件將承受全部電源電壓，這就必然影響到它的可靠運行，所以，電力電子器件串聯(lián)運行時(shí)應有相應的均壓措施，而均壓電路使系統復雜化，損耗增加，效率下降。另外，為使串聯(lián)器件同時(shí)導通和關(guān)斷，對驅動(dòng)、控制電路的要求也大大提高。圖1為多管串聯(lián)的兩電平主電路拓撲結構。

圖1 多管串聯(lián)的兩電平變換拓撲

3.2 中點(diǎn)鉗位型多電平拓撲結構

3.2.1 二極管鉗位型多電平結構

為了解決器件直接串聯(lián)時(shí)的均壓?jiǎn)?wèn)題，逐漸發(fā)展出以器件串聯(lián)為基礎，各器件分別控制的變流器結構。在這方面，日本學(xué)者A.Nabae于1983年提出的中點(diǎn)鉗位型PWM逆變電路結構具有開(kāi)創(chuàng )性的意義。單相中點(diǎn)二極管鉗位型變流器的結構如圖2所示，該變流器的輸出電壓為三電平。如果去掉兩個(gè)鉗位二極管，這種變流器就是用兩個(gè)功率器件串聯(lián)使用代替單個(gè)功率器件的半橋逆變電路。由于兩個(gè)鉗位二極管的存在，各個(gè)器件能夠分別進(jìn)行控制，因而避免了器件直接串聯(lián)引起的動(dòng)態(tài)均壓?jiǎn)?wèn)題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數有所增加，每個(gè)電平幅值相對降低，由整個(gè)直流母線(xiàn)電壓降為一半直流母線(xiàn)電壓，在同等開(kāi)關(guān)頻率的前提下，可使輸出波形質(zhì)量有較大的改善，輸出dv/dt也相應下降，因此，中點(diǎn)鉗位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢。

圖2 二極管鉗位型三電平逆變器拓撲