开关电源基础与应用第8章图文模板

第8章 多电平直流变换
多电平变换器具有以下突出特点： (1) 主电路中的每个开关器件仅承受部分的直流母线电压， 可以采用较低耐压的器件的组合来实现高压大功率输出，且无 需动态均压电路。 (2) 输出电压电平数的增加改善了输出电压波形，减小了 输出电压波形的畸变。 (3) 相同的直流母线电压条件下，du/dt应力减小。若在 中、高压大电机驱动中应用，可有效防止电机绕组绝缘击穿， 并改善变换器装置的EMI特性。 (4) 以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器 类似的输出电压波形，开关损耗较小，效率高。
第8章 多电平直流变换 第8章 多电平直流变换
8.1 多电平变换的基本原理 8.2 单管直流变换器三电平拓扑变换 8.3 推挽变换器三电平拓扑变换 8.4 全桥直流变换器的三电平拓扑变换 8.5 三电平直流变换器的控制方法
第8章 多电平直流变换
8.1 多电平变换的基本原理 8.1.1 多电平变换器的特点
+Uin/2、0、－Uin/2三种电平，故称之为三电平逆变器。显然， NPC逆变器的输出电压的谐波成分比传统的单相逆变器电路要 小。对于每一种开关组合来说，由于钳位二极管的作用，每个 关断的开关管均仅承受一半的输入直流母线电压，这与开关管 串联技术相比，避免了动态电压的均压分配问题。图8-2所示 为NPC逆变器与传统的逆变器的单相输出电压波形对比。由图 可见，前者输出更接近正弦波。
第8章 多电平直流变换 图8-1 中点钳位型(NPC)三电平单相电路
第8章 多电平直流变换
图8-1所示变换器中的功率开关管由于二极管的钳位作用， 所承受的电压是直流侧电压的1/2，因此开关过程的电压应力 du/dt减小，这种特性导致利用低压器件实现高压大功率变换 成为可能。同时由于输出的相电压为三电平，使得输出的高次 谐波比两电平变换器也大大降低。NPC逆变器输出电压有
第8章 多电平直流变换 图8-2 两种逆变器输出电压波形对比
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第8章 多电平直流变换 若要得到n电平，需将直流分压电容增为(n－1)(n－2)/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 间进行钳位，再根据与三电平类似的控制方法进行控制即可。 NPC变换和其他几种技术相比具有以下特点： (1) 每个功率开关器件仅承受1/(n－1)的母线电压。 (2) 随着电平数的增加，输出电压波形得到改善，输出电 压谐波含量THD降低。di/dt和du/dt减少，可有效防止击穿电 机绕组的故障，也提高了设备的EMI特性。 (3) 阶梯波调制时器件在基频下工作, 开关损耗小, 效率 高。 (4) 可控制无功功率。
电平变换器，每相所需开关器件2(n－1)只，直流分压电容n－
1只，钳位电容
只。 (n 1)(n 2)
2
第8章 多电平直流变换 图8-3 飞跨电容型三电平变换器的结构
第8章 多电平直流变换 飞跨电容型多电平变换器的特点是： (1) 电平数越多，输出电压谐波含量越少。 (2) 阶梯波调制时，器件工作在基波频率，开关损耗小， 效率高。 (3) 大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。 (4) 可以采用背靠背的方式实现四象限运行。
现有的电力电子开关器件无法满足其功率与开关频率之间 的矛盾，往往功率越大，耐压越高，开关频率越低。为了设计 高频、高压、高性能和低EMI的大功率变换器，必须将高性能 开关器件、主电路拓扑以及变换器所在系统的控制策略进行综 合考虑，以寻找合理的解决方案。为此人们进行了大量的研究 和探索，提出了多种中、高压大功率变换器的解决方案，如功 率器件串/并联技术，功率变换器的串/并联，多重化技术以及 组合变换器相移等。多电平结构成为其中一种具有代表性和较 为理想的解决方案。
第8章 多电平直流变换 1．二极管钳位型电路(Diode-clamped) 在电压型变换器中，传统应用的是两电平逆变电路，即通 过控制开关器件的导通和关断，在输出端将正、负端电压分别 引出。三电平电路对原有两电平电路拓扑结构进行改进，在开 关器件耐压水平不变的条件下，可获得更多电平的电压输出。 三相三电平电路的某一相桥臂电路如图8-1所示。直流侧通过 两个串联的电容将输入电压Uin分为三种电平，中点O为零电平； 功率变换部分采用4个带有反并二极管VD1～VD4的开关管VT1～ VT4串联构成，并有两个钳位二极管VD11、VD12与内侧开关管VT2、 VT3并联，中心点和直流侧电容的中点相连实现中点钳位，形 成中点钳位变换器结构，也称为NPC(Neutral Point Clamped) 电路。
第8章 多电平直流变换
2．飞跨电容钳位型电路(Flying-capacitor)
图8-3所示为飞跨电容型三电平变换器的结构。电路利用
飞跨在串联开关器件之间的串联电容CS进行钳位。CS的作用是 将功率开关管的电压钳位在单个直流分压电容的电压上，从而
实现三电平输出。图中，P点电位为Uin/2，N点电位为－Uin/2。 飞跨电容型的拓扑结构也可以拓展到任意电平中，对于一个n
第8章 多电平直流变换 8.1.2 多电平变换器主电路拓扑结构
三电平结构的提出为研制高压大功率变换器提供了新的途 径。通过改进变换器电路的结构，即增加输出电路电平数的方 法减小du / dt和EMI，从而减小输出电压中的谐波和开关损耗， 提高变换器的输出电压和输出功率。将现有多电平变换器按主 电路拓扑结构来区分，可以分为以下三种基本的拓扑结构。
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3．级联多电平变换器(Cascaded-converters with separate DC sources)
级联多电平变换器是通过将具有独立直流电源的全桥变换 器进行级联，将各个变换器的输出电压串联起来合成最终的电 压输出波形。图8-4为两个单相独立直流电源的级联逆变器电 路。每个逆变电路由独立直流电源Uin和一个单相的全桥逆变 器相连。通过4个开关器件VT1～VT4的组合，每个逆变器都可 以产生3个电平的电压：+Uin、0和－Uin。多个逆变器的输出串 联在一起，合成为逆变器输出电压uao。当独立的直流电源的 电压值相等时，由K个单相全桥逆变单元组成的单相级联型多 电平电路输出的电平数为n=2K+1。这种电路不需要前两种电路 中大量的钳位二极管或钳位电容，但需要多个独立电源。对这 种类型的n电平单相电路，需要(n－1)/2个独立电源，2(n－1) 个主开关器件。