电力电子与电机系统集成分析基础 作者 赵争鸣 袁立强 第3章 电力电子器件与变换器.pptVIP

图3-46　1∶2直流电源H桥级联 图3-47　1∶3直流电源H桥级联 表3-10　三种直流电源模式下的输出电平数与开关器件数目比较 3.4.5　多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路 图3-48　Peng通用多电平拓扑结构 3.4.5　多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路 图3-49　简化出的三种拓扑 3.4.5　多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路 图3-50　二极管钳位型的三电平变换器瞬态换流过 3.4.5　多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路 图3-51　不考虑杂散参数的与实际变换器中的IGCT电压电流波形比较仿真 3.3.2　变换器的基本拓扑单元 1)具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。2)具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。 3.3.2　变换器的基本拓扑单元 图3-29　n相输入p相输出开关矩阵变换器 3.3.2　变换器的基本拓扑单元 图3-30　Buck和Boost变换器的原理示意图 图3-31　n相输入p相输出开关矩阵变换器(n=p=1) 图3-32　电力电子变换器基本拓扑单元的两种形式 图3-33　变换器的基本拓扑单元 图3-34　变换器的基本拓扑单元以及开关轨迹 图3-35　六种基本的DC/DC变换器示意图 表3-3　六种DC/DC变换器的输出与输入电压的关系 3.3.3　基于器件特性的变换器基本拓扑单元 1)通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。2)阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在一定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。5)无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即开关器件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受开关器件恢复特性的影响。 3.3.3　基于器件特性的变换器基本拓扑单元 6)开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。1)开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率，必须在额定的范围内。2)两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的情况。3)因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关动作之间存在一定的“死区”。4)因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制存在最小脉宽。5)两个开关的动态特性相互影响。 3.3.4　两电平拓扑结构 1)一般只使用于小容量的变换器。2)输出电压波形中谐波较大。3)一般来说，需要较高的开关频率。4)输出电压波形中，du/dt较大。5)损耗较大，效率较低。 3.3.4　两电平拓扑结构 图3-36　三相两电平逆变拖动系统的示意图 3.3.4　两电平拓扑结构 图3-37　两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析 3.4　多电平电力电子变换器 多电平电力电子变换器，简称多电平变换器。这种变换器正是为适应于集成系统的发展，为提高系统性能和适应性而提出来的。一般来说，多电平变换器具有更多的开关器件和较复杂的拓扑结构。上一节的两电平变换器拓扑特性分析也适用于多电平变换器。但是与两电平变换器拓扑不同，多电平变换器拓扑具有自己本身独有的特点。 3.4.1　多电平变换器基础 1)主电路中的每个开关器件承受一部分直流母线电压，可以采用较低耐压的器件组合来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。2)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形的畸变(THD减小)。3)可以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小，在中、高压大电机驱动中，有效防止电机绕组绝缘击穿，同时改善了变换器装置的EMI特性。 3.4.1　多电平变换器基础 图3-38　多电平变换器与电机集成系统示意图 3.4.1　多电平变换器基础 图3-39　未经调制的五电平输出波形(线电压为九电平) 3.4.1　多电平变换器基础 图3-40　采用调制的五电平输出波形(线电压为九电平) 3.4.2　二极管钳位式多电平变换器 1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。3)可控制无功功率流向。4)背靠背连接系统控制简单。1)需要较多钳位二极管。2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。3)存在直流分压电容电压不平衡问题。 3.4.2　二极