高压大功率变换器拓扑结构的演化及分析和比较

摘要：阐述了高压大功率变换器拓扑结构的发展，同时对它们进行了分析和比较，指出各自的优缺点，其中重点介绍了级联型拓扑结构并给出了仿真波形。

关键词：多电平变换器；拓扑结构；高压大功率

0    引言

    变频调速技术的飞速发展为变频器性能的提高提供了技术保障，而环保和节能的客观需要，又为变频器在生产和生活的各个领域中的应用提供了发展空间，但是，随着国民经济的发展，小容量变频器已越来越不能满足现代化生产和生活的需要。目前，我国采用的变频调速装置基本上都是低压的，即电压为380～690V，而在节能方面起着更主要作用的高电压大容量变频器在我国尚处于起步阶段。是什么原因阻碍了高压大功率变频调速技术的应用呢？主要原因一是大容量（200kW以上）电动机的供电电压高（6kV或者10kV），而电力电子器件的耐压等级和所承受的电流的限制，造成了电压匹配上的困难；二是高压大功率变频调速系统技术含量高，难度大，成本高，而一般的风机、水泵等节能改造项目都希望低投入、高回报，较少考虑社会效益和综合经济效益。这两个原因使得高压变频调速技术的发展和推广受到了限制，因此，提高电力电子变流装置的功率容量，降低成本，改善其输出性能是现代电力电子技术的重要发展方向之一，也是当前世界各国相关行业竞相关注的热点，为此，国内外各变频器生产厂商八仙过海，各有高招，虽然其主电路结构不尽一致，但都较为成功地解决了高压大容量这一难题。

1    大功率电力电子变流装置的拓扑学进展

    近年来，各种高压变频器不断出现，可是到目前为止，高压变频器还没有像低压变频器那样具有近乎统一的拓扑结构。根据高压组成方式，可分为直接高压型和高—低—高型；根据有无中间直流环节，可以分为交—交变频器和交—直—交变频器。在交—直—交变频器中，根据中间直流滤波环节的不同，又可分为电压源型(也称电压型)和电流源型(也称电流型)。高—低—高型变频器采用变压器实行降压输入、升压输出的方式，其实质上还是低压变频器，只不过从电网和电动机两端来看是高压的，这是受到功率器件电压等级限制而采取的变通办法。由于需要输入、输出变压器，而存在中间低压环节电流大、效率低、可靠性下降、占地面积大等缺点，只用于一些小容量高压电动机的简单调速。常规的交—交变频器由于受到输出最高频率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊场合。

    下面对直接高压大功率电力电子装置拓扑结构作一个分类，分类是针对单个器件的电压或电流承受能力往往不能适应容量要求这一特点进行的，为此，把大功率电力电子变流装置的拓扑结构分为两类：

    1）以器件串联为基础的桥臂扩展型结构；

    2）以变流单元电路串联为基础的多单元变流器结构。

    这种分类方式从电路构成的角度揭示了名种拓扑结构的内在联系。按照这种分类方式，多管串联的两电平变换电路，二极管钳位和飞跨电容钳位型多电平拓扑属于以器件串联为基础的桥臂扩展型结构；级联型多电平变流器属于以变流单元电路串联为基础的多单元变流器结构。

2    高—低—高结构

    该种结构将输入高压经降压变压器变成380V的低压，然后用普通变频器进行变频，再由升压变压器将电压变回高压。很明显，该种结构的优点是可利用现有的低压变频技术实现高压变频，易于实现，价格低；其缺?是系统体积大、成本高、效率低、低频时能量传输困难等。

3    器件串联拓扑结构

3.1    多管串联的两电平变换电路

    将器件串联使用，是满足系统容量要求的一个简单直观的办法。串联在一起的各个器件，被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑，控制策略和控制方法；其缺点是串联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。

图1    多管串联的两电平变换拓扑

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2    二极管钳位型三电平逆变器拓扑

    图2中D_A，D_A′，D_B，D_B′为钳位二极管，分压电容C₁=C₂。开关管S_A1，S_A1′和S_B1，S_B1′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）开关器件的导通负荷不一致。最靠近母线的开关S_A1仅在V_a0=V_dc时开通。而最靠近输出端的S_Am仅在V_a0=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，C_A及C_B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

图3    飞跨电容多电平变换器的拓扑结构

    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。

    3）与二极管钳位型多电平变流器一样，电容钳位型多电平变流器也存在导通负荷不一致的问题。

4    以变流单元电路串联为基础的多单元变流器结构

4.1    级联型多电平拓扑结构

    这是一种较为新颖的多电平变换器拓扑结构。级联型多电平变流器，采用若干个低压PWM变流单元直接级联的方式实现高压输出。由这种拓扑结构组成的电压源型变频器系由美国罗宾康公司发明并申请专利，取名为完美无谐波变频器。我国北京利德华福生产的高压变频器也是采用这种结构。该变频器结构具有对电网谐波污染小，输入功率因数高，不必采用输入谐波滤波器和功率因数补偿装置，输出波形好，不存在由谐波引起的电动机附加发热，转矩脉动，噪声，共模电压等问题，可以使用普通的异步电动机。

4.1.1    单元串联多电平变换器原理

    单元串联多电平变换器采用若干个独立的低压功率单元串联的方式来实现高压输出，其原理如图4（a）所示。6kV输出电压等级的变频器主电路拓扑结构如图4（b）所示。电网电压经过二次侧多重化的隔离变压器降压后给功率单元供电，功率单元为三相输入，单相输出的交—直—交PWM电压源型逆变器结构〔见图4（c）〕，将相邻功率单元的输出端串接起来，形成丫联结结构，实现变压变频的高压直接输出，供给高压电动机。每个功率单元分别由输入变压器的一组二次绕组供电，功率单元之间及变压器二次绕组之间相互绝缘。对于额定输出电压为6kV的变频器，每相由5个额定电压为690V的功率单元串联而成，输出相电压最高可达3450V，线电压可达6kV左右，每个功率单元承受全部的输出电流，但只提供1／5的相电压和1／l5的输出功率，所以，单元的电压等级和串联数量决定变领器输出电压，单元的额定电流决定变频器的输出电流。

(a)    电压叠加原理

(b)    主电路结构

(c)    功率单元结构

图4    单元串联多电平变换器

    由于不是采用传统器件串联方式来实现高压输出，而是采用整个功率单元串联，所以，不存在器件串联引起的均压问题。由于串联功率单元较多，对单元本身的可靠性要求很高。输入变压器实行多重化设计，达到降低谐波电流的目的。

4.1.2    同其他拓扑结构的比较

    与采用高压器件直接串联的变频器相比，采用这种主电路拓扑结构会使器件的数量增加。但低压IGBT门极驱动功率较低，其峰值驱动功率不到5W，平均驱动功率不到1W，驱动电路非常简单。由于开关频率低，且不必采用均压电路和浪涌吸收电路，所以系统在效率方面具有较大的优势。功率单元采用目前低压变频器中广泛使用的低压IGBT功率模块，技术成熟、可靠。由于采用二极管不可控整流电路结构，所以，变频器对浪涌电压的承受能力较强。

    相对于二极管钳位型和电容钳位型多电平变流器，这种结构避免了使用大量的钳位二极管或电压平衡电容。每个独立直流源与一个单相全桥变流器相连。交流侧的端电压通过串联方式叠加，形成多电平变流器的输出电压。每个单相全桥变流器可以产生一个三电平的输出电压。由m个变流器单元级联而成的多电平变流器的电平数为（2m＋1）。

    单元级联多电平拓扑结构的优点是：

    1）使用串联的方法可以将耐压低、开关频率也不高的功率器件直接应用到高压大功率场合；

    2）基于单元串联结构，每个单元的控制逻辑都是独立的，从而解决了中点钳位逆变电路在电平数增加时，开关逻辑越来越复杂的问题；

    3）各单元互相隔离，串级电路结构不存在静、动态均压问题；

    4）在串级电路设计上可以使用功率单元旁路技术，这样当某个单元发生故障时，控制系统可以直接将故障单元旁路，电路仍可继续工作，只是输出电压略有下降；

    5）串级电路的单元模块化为实际安装和使用提供了很大便利；

    6）串级电路使用多副边绕组变压器，通过副边绕组的移相联接可以将电流谐波影响几乎减小到零，从而改善了电路的功率因数。

    然而，串级电路结构的缺点也比较明显：

    1）每个基本单元都用一个独立的直流电源供电，虽然使各个单元彼此隔离，但随着电平数增加，直流电源数也将增加；

    2）使用的功率单元及功率器件数量较多，增加了投入，造价昂贵，且装置的体积大，需要占用一定的安装空间；

    3）无法实现能量回馈及四象限运行，只适用于风机、水泵等一般不要求四象限运行的设备。

4.2    改进的级联型多电平变换器

    当独立的直流电源电压相等，并且取E时，由m个单相全桥逆变单元组成的单相级联型多电平电路输出电平数为2m＋1。若将级联多电平变换器中各独立直流电源的电压分别取E，2E，4E，2mE，则其输出电平数大幅度地增加到2m－1，这就是改进的级联多电平变换器的思想，从更严格的意义上讲，它不是一种新的电路拓扑结构，说是一种控制策略更为合适。

    图5为采用改进的级联多电平结构的GTO和IGBT混合型逆变电路。该逆变器的直流侧总电压为4.5kV，由GTO组成的高压单元承担3kV，由IGBT构成低压单元承担1.5kV。采用合适的控制策略，可以在输出合成由－4.5kV，－3kV，－1.5kV，0，1.5kV，3kV，4.5kV等7电平构成的阶梯波，如表1所列。和电压相等的普通级联多电平电路相比，输出电压的级数由5增加到7。将波形合成策略和脉冲宽度调制PWM策略相结合，可以得到一种非常适合于该种混合型级联多电平逆变器的控制策略，即较高电压的GTO逆变单元以输出电压的基波频率为切换频率；而较低电压的IGBT逆变单元则在较高的频率下进行脉冲宽度调制，以此来改善输出波形。GTO和IGBT在电路中的作用有所不同，GTO主要用来承担电压，而IGBT用来改善波形。图6为混合逆变电路仿真输出波形，其中图6（a）为GTO输出波形，开关频率为基波频率，图6（b）为IGBT输出波形，载波频率为4kHz。级联型多电平变换器中各独立直流电源的电压还可以分别取E，3E，9E，3mE，则其输出的电平数大幅度地增加到3m。但由于电压以2m或者3m倍数增加，而器件的耐压有限，所以，改进型级联多电平电路的串联级数不能无限增加，实际系统的级联数目最多不会超过3。

图5    改进型级联逆变器主电路

(a)    GTO输出波形

(b)    IGBT输出波形

(c)    合成后的输出波形

图6    改进型级联逆变器输出波形

表1    改进的级联多电平变流器各输出电平组合情况（V_dc=2V_dc=2E）

5    结语

    近年来，多电平变换器在高压大功率场合越来越受到重视。在这些拓扑结构中，级联型H桥拓扑结构特别有吸引力，因为，它可以实现模块化以及控制简单等优点，但是，存在需要很多独立直流电压源的缺点，因此，发展了混合级联型等拓扑结构，在相同情况下，可以大量提高电平数量。随着变频技术的发展，以后会出现更新、更好的新型电路拓扑结构，特别是近年来“电力电子积木”PEBB（Power Electronics Building Block）技术的兴起，使多个功率器件的集成化和低成本化逐步成为可能，这也为多电平变换电路拓扑的发展提供了有力的技术支持，这必将会促进中高压功率变换技术的进一步发展。