开关电源技术 第8章.pptVIP

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　　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。 　　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。 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。 　　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。 图8-1 中点钳位型(NPC)三电平单相电路 　　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?+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。 图8-2 两种逆变器输出电压波形对比 　　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。 　　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。 图8-3 飞跨电容型三电平变换器的结构 　　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。　　(