高压大功率变换器拓扑结构的演化及分析和比较

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。

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4

    图2中DA，DA′，DB，DB′为钳位二极管，分压电容C1=C2。开关管SA1，SA1′和SB1，SB1′等互补。

增加分压电容、钳位二极管，功率开关管可以得到多电平变换电路。若要得到m电平，则需要（m－l）个直流分压电容，每一桥臂需要2（m－l）个主开关器件和（m－l）（m－2）个钳位二极管。在需要四象限可逆运行的场合，可将两组相同的多电平变换器按照“背靠背”的方式进行连接。

二极管钳位型变流器同时具有多重化和脉宽调制的优点，即输出功率大，器件开关频率低，等效开关频率高；交流侧不需要变压器连接；动态响应好，传输带宽较宽；便于双向功率流控制。其缺点是

1）钳位二极管的耐压要求较高，数量庞大。对于m电平变流器，如果使每个二极管的耐压等级相同，每相所需的二极管数量为（m－1）(m－2)，不但大大提高了成本，而且在线路安装方面相当困难。因此，在实际应用中一般仅限于7电平或9电平变流器的研究。

2）开关器?的导通负荷不一致。最靠近母线的开关SA1仅在Va0=Vdc时开通。而最靠近输出端的SAm仅在Va0=0时不开通。导通负荷不平衡导致开关器件的电流等级不同。在电路中，如果按导通负荷最严重的情况设计器件的电流等级，则每相有2(m－2)个外层器件的电流等级过大，造成浪费。

3）在变流器进行有功功率传送的时候，直流侧各电容的充放电时间各不相同，从而造成电容电压不平衡，增加了系统动态控制的难度。

3.2.2 飞跨电容多电平变换器结构

图3所示为单相飞跨电容三电平变换器的拓扑结构，C1及C2为直流侧串联电容，CA及CB为钳位电容。假定每个电容的电压等级与开关器件相同，那么一个m电平变流器在直流侧需要m－1个电容。通过比较不难看出，直流侧电容不变，用飞跨电容取代钳位二极管，工作原理与二极管钳位电路相似。这种拓扑结构虽省去了大量的二极管，但又引入了不少电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、封装难。不过在电压合成方面，由于电容的引进，开关状态的选择更加灵活，使电压合成的选择增多，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。由此可知，电容钳位型多电平变流器的电平合成自由度和灵活性高于二极管多电平变流器。电容钳位型多电平变流器的优点是开关方式灵活，对功率器件保护能力较强；既能控制有功功率，又能控制无功功率，但控制方法非常复杂，而且开关频率增高，开关损耗增大，效率随之降低。其主要缺点是

1）需要大量的存储电容。如果所有电容的电压等级都与主功率器件的相同，那么一个m电平的电容钳位型多电平变流器每相桥臂需要(m－1)(m－2)/2个辅助电容，而直流侧上还需要（m－1）个电容。电平数较高时就增加了安装的难度，同时也增加了造价。

2）为了使电容的充放电保持平衡，对于中间值电平需要采用不同的开关组合，这就增加了系统控制的复杂性，器件的开关频率和开关损耗。

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