电力电子技术多电平技术新全面.ppt
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多电平逆变变换器 Multilevel Converter
最新.课件
1
多重逆变电路和多电平逆变电路
■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型 逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有 较多的谐波，对负载会产生不利影响。
■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来， 使之成为接近正弦波的波形。
■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，
电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，
du/dt小，对电机负载的冲击小等。
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21
二极管箝位型逆变器的缺点
但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构 仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在 E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数 的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关 器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大 时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传 输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同， 将形成不平衡的电容电压。
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19
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20
二极管箝位型逆变器的优点
二极管箝位结构的显著优点：就是利用二
极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
由于没有两电平逆变器中两个串联器件同
时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件
的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，
系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多
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4
u1
三次谐波
O
t
180°
u
2
60°
三次谐波
O
t
u
o
120°
O
t
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目录
1 多电平变换器研究的背景及意义 2 多电平逆变器研究现状
2.1 二极管箝位型多电平逆变器 2.2 飞跨电容型多电平逆变器 2.3 级联型多电平逆变器
3 多电平调制策略 4 H桥级联型逆变器仿真
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8
多电平变换器研究的背景及意义
变调速领域，即使是采用功率器件直接串联 的两电平逆变器，也存在动、静均压问题， 并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰 问题。
为此，有学者提出一种多电平功率变换
技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大 功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小 dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为 高压大功率驱动场合的发展趋势。
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若要得到更多电平数，如N电平，只需将 直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关 器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管 数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别 跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位， 再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。
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9
2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器作为一种新型的高压大功率 逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的 输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点： 无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低, 因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染 少等。
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10
多电平逆变器研究现状
多电平逆变器的思想从提出至今，出 现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：
(1) 二极管箝位型逆变器
(2) 飞跨电容型逆变器
(3) 具有独立电源的级联型逆变器
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11
多电平逆变器研究现状
这三种结构具有共同的优点： (1) 电平数越高，输出电压谐波含量越低；
(2) 器件开关频率低，开关损耗小；
(3) 器件应力小，无需动态均压。
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二极管箝位型多电平逆变器
☞ uo波形是1百度文库0°矩形波，含6k±1次谐波，
3k次谐波都被抵消。
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3 3/47
■由此得出的一些结论
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差 组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相 互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电 流型逆变电路多用并联多重方式。
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7
1多电平变换器研究的背景及意义
因此，对于交流电动机的变频调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压
它能够输出较多的电平，从而使输出电压向正
弦波靠近。
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多重逆变电路
■二重单相电压型逆变电路 ◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变
压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就
错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3次 谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。
对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧 需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压 为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电 压和输出电流的总谐波畸变率越小。
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15
在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直 流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分 析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极 管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母 线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二 极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
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6
1多电平变换器研究的背景及意义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对
能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主
动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
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13
图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
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14
Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。
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多重逆变电路和多电平逆变电路
■电压型逆变电路的输出电压是矩形波，电流型 逆变电路的输出电流是矩形波，矩形波中含有 较多的谐波，对负载会产生不利影响。
■常常采用多重逆变电路把几个矩形波组合起来， 使之成为接近正弦波的波形。
■也可以改变电路结构，构成多电平逆变电路，
电平逆变器所固有的优点，如电压畸变小，
du/dt小，对电机负载的冲击小等。
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二极管箝位型逆变器的缺点
但是二极管箝位型多电平逆变器拓扑结构 仍然有其固有不足：虽然开关器件被箝位在 E/(N-1)电压上，但是二极管却要承受不同倍数 的反向耐压；如果使二极管的反向耐压与开关 器件相同，则需要多管串联，当串联数目很大 时，增加了实际系统实现的难度。当逆变器传 输有功功率时，由于各个电容的充电时间不同， 将形成不平衡的电容电压。
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二极管箝位型逆变器的优点
二极管箝位结构的显著优点：就是利用二
极管箝位解决了功率器件串联的均压问题，适 于高电压场合。
由于没有两电平逆变器中两个串联器件同
时导通和同时关断的问题，所以该拓扑对器件
的动态性能要求低，器件受到的电压应力小，
系统可靠性有所提高。在输出性能上也拥有多
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u1
三次谐波
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180°
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60°
三次谐波
O
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120°
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1 多电平变换器研究的背景及意义 2 多电平逆变器研究现状
2.1 二极管箝位型多电平逆变器 2.2 飞跨电容型多电平逆变器 2.3 级联型多电平逆变器
3 多电平调制策略 4 H桥级联型逆变器仿真
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多电平变换器研究的背景及意义
变调速领域，即使是采用功率器件直接串联 的两电平逆变器，也存在动、静均压问题， 并且dv/dt较大，会产生难以处理的电磁干扰 问题。
为此，有学者提出一种多电平功率变换
技术，旨在解决功率开关耐压不足与高压大 功率驱动之间的矛盾，并且可以有效减小 dv/dt，降低输出电压的谐波含量，已成为 高压大功率驱动场合的发展趋势。
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若要得到更多电平数，如N电平，只需将 直流分压电容改为(N-1)个串联，每桥臂主开关 器件改为2(N-1)个串联，每桥臂的箝位二极管 数量改为(N-1)(N-2)个，每(N-1)个串联后分别 跨接在正负半桥臂对应开关器件之间进行箝位， 再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。
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2 多电平逆变器研究现状
多电平逆变器作为一种新型的高压大功率 逆变器从电路拓扑结构入手，在得到高质量的 输出波形的同时，克服两电平电路的诸多缺点： 无需输出变压器和动态均压电路，开关频率低, 因而开关器件应力小，系统效率高,对电网污染 少等。
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10
多电平逆变器研究现状
多电平逆变器的思想从提出至今，出 现了很多拓扑，但归纳起来主要有三种：
(1) 二极管箝位型逆变器
(2) 飞跨电容型逆变器
(3) 具有独立电源的级联型逆变器
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多电平逆变器研究现状
这三种结构具有共同的优点： (1) 电平数越高，输出电压谐波含量越低；
(2) 器件开关频率低，开关损耗小；
(3) 器件应力小，无需动态均压。
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二极管箝位型多电平逆变器
☞ uo波形是1百度文库0°矩形波，含6k±1次谐波，
3k次谐波都被抵消。
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■由此得出的一些结论
◆把若干个逆变电路的输出按一定的相位差 组合起来，使它们所含的某些主要谐波分量相 互抵消，就可以得到较为接近正弦波的波形。
◆多重逆变电路有串联多重和并联多重两种 方式，电压型逆变电路多用串联多重方式，电 流型逆变电路多用并联多重方式。
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因此，对于交流电动机的变频调速研究， 存在着巨大的节能空间。广泛应用的高压大功 率风机、泵类的高压电机，由于传统的工作方 式为电网电压直接驱动，存在电机转速不能根 据实际工况进行有效地调节，造成了很大的电 能损失。
而高压变频技术正是能够解决这个问题的 关键技术，但现有功率开关受耐压等级的制约， 传统的两电平逆变器无法有效应用于高压
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多重逆变电路
■二重单相电压型逆变电路 ◆两个单相全桥逆变电路组成，输出通过变
压器T1和T2串联起来。 ◆输出波形
☞两个单相的输出u1和u2是180°矩形波。
☞u1和u2相位错开=60°,其中的3次谐波就
错开了3×60°=180，变压器串联合成后，3次 谐波互相抵消，总输出电压中不含3次谐波。
对于N电平三相二极管箝位型电路，直流侧 需N-1个电容，能输出N电平的相电压，线电压 为(2N-1)电平。显然输出电平越多、其输出电 压和输出电流的总谐波畸变率越小。
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在图1中，通过两个串联的大电容C1和C2将直 流母线电压分成三个电平，即，E/2，0和E/2(以两个电容的中点定义为中性点)。稍加分 析就可以发现，不论在表1的哪一种工况，二极 管D1，D2都将每个开关器件的电压箝位到直流母 线电压的一半。例如，当S1，S2同为导通时，二 极管D2平衡了开关器件S1，S2上的电压分配。
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1多电平变换器研究的背景及意义
随着社会工农业生产规模的不断扩大，对
能源的需求量也越来越大，对于现有的有限能 源，如何合理利用，是各国政府关心的问题。 我国政府制定的“十二五”规划，把节能减排 定为规划纲要，以保证我国经济和社会的可持 续发展。
电动机作为工业、农业、市政等领域的主
动力源，是能源消耗的大户，根据国家权威部 门统计，我国的发电量有60%左右被电动机消 耗，而其中的90%被交流电动机消耗。
1977年德国学者Holtz首次提出了利用 开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器 主电路。
1980年日本的A Nabae等人对其进行了 发展，提出了二极管箝位式逆变电路。
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图1为单相二极管箱位逆变电路，它 具有2个电容，能输出3电平的电压。
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Bhagwat和Stefanovic在1983年进一步将三电 平推广到多电平的结构。二极管箝位式多电平 变换电路的特点是采用多个二极管对相应的开 关器件进行箝位，同时利用不同的开关组合输 出所需的不同电平。