高壓大功率變換器拓撲結構的演化及分析和比較

摘要：闡述了高壓大功率變換器拓撲結構的發(fā)展，同時對它們進行了分析和比較，指出各自的優(yōu)缺點，其中重點介紹了級聯型拓撲結構并給出了仿真波形。

引言

變頻調速技術的飛速發(fā)展為變頻器性能的提高提供了技術保障，而環(huán)保和節(jié)能的客觀需要，又為變頻器在生產和生活的各個領域中的應用提供了發(fā)展空間，但是，隨著國民經濟的發(fā)展，小容量變頻器已越來越不能滿足現代化生產和生活的需要。目前，我國采用的變頻調速裝置基本上都是低壓的，即電壓為380～690V，而在節(jié)能方面起著更主要作用的高電壓大容量變頻器在我國尚處于起步階段。是什么原因阻礙了高壓大功率變頻調速技術的應用呢？主要原因一是大容量（200kW以上）電動機的供電電壓高（6kV或者10kV），而電力電子器件的耐壓等級和所承受的電流的限制，造成了電壓匹配上的困難；二是高壓大功率變頻調速系統(tǒng)技術含量高，難度大，成本高，而一般的風機、水泵等節(jié)能改造項目都希望低投入、高回報，較少考慮社會效益和綜合經濟效益。這兩個原因使得高壓變頻調速技術的發(fā)展和推廣受到了限制，因此，提高電力電子變流裝置的功率容量，降低成本，改善其輸出性能是現代電力電子技術的重要發(fā)展方向之一，也是當前世界各國相關行業(yè)競相關注的熱點，為此，國內外各變頻器生產廠商八仙過海，各有高招，雖然其主電路結構不盡一致，但都較為成功地解決了高壓大容量這一難題[5]。

1 大功率電力電子變流裝置的拓撲學進展[3]

近年來，各種高壓變頻器不斷出現，可是到目前為止，高壓變頻器還沒有像低壓變頻器那樣具有近乎統(tǒng)一的拓撲結構。根據高壓組成方式，可分為直接高壓型和高—低—高型；根據有無中間直流環(huán)節(jié)，可以分為交—交變頻器和交—直—交變頻器。在交—直—交變頻器中，根據中間直流濾波環(huán)節(jié)的不同，又可分為電壓源型(也稱電壓型)和電流源型(也稱電流型)。高—低—高型變頻器采用變壓器實行降壓輸入、升壓輸出的方式，其實質上還是低壓變頻器，只不過從電網和電動機兩端來看是高壓的，這是受到功率器件電壓等級限制而采取的變通辦法。由于需要輸入、輸出變壓器，而存在中間低壓環(huán)節(jié)電流大、效率低、可靠性下降、占地面積大等缺點，只用于一些小容量高壓電動機的簡單調速。常規(guī)的交—交變頻器由于受到輸出最高頻率的限制，只用在一些低速、大容量的特殊場合。

下面對直接高壓大功率電力電子裝置拓撲結構作一個分類，分類是針對單個器件的電壓或電流承受能力往往不能適應容量要求這一特點進行的，為此，把大功率電力電子變流裝置的拓撲結構分為兩類：

1）以器件串聯為基礎的橋臂擴展型結構；

2）以變流單元電路串聯為基礎的多單元變流器結構。

這種分類方式從電路構成的角度揭示了名種拓撲結構的內在聯系。按照這種分類方式，多管串聯的兩電平變換電路，二極管鉗位和飛跨電容鉗位型多電平拓撲屬于以器件串聯為基礎的橋臂擴展型結構；級聯型多電平變流器屬于以變流單元電路串聯為基礎的多單元變流器結構。

2 高—低—高結構

該種結構將輸入高壓經降壓變壓器變成380V

的低壓，然后用普通變頻器進行變頻，再由升壓變壓器將電壓變回高壓。很明顯，該種結構的優(yōu)點是可利用現有的低壓變頻技術實現高壓變頻，易于實現，價格低；其缺點是系統(tǒng)體積大、成本高、效率低、低頻時能量傳輸困難等。

3 器件串聯拓撲結構[4]

3.1 多管串聯的兩電平變換電路

將器件串聯使用，是滿足系統(tǒng)容量要求的一個簡單直觀的辦法。串聯在一起的各個器件，被當作單個器件使用，其控制也是完全相同的。這種結構的優(yōu)點是可利用較為成熟的低壓變頻器的電路拓撲，控制策略和控制方法；其缺點是串聯開關管需要動態(tài)均壓和靜態(tài)均壓。這是因為串聯器件開、關時間不一致，最后開通或最先關斷的器件將承受全部電源電壓，這就必然影響到它的可靠運行，所以，電力電子器件串聯運行時應有相應的均壓措施，而均壓電路使系統(tǒng)復雜化，損耗增加，效率下降。另外，為使串聯器件同時導通和關斷，對驅動、控制電路的要求也大大提高。圖1為多管串聯的兩電平主電路拓撲結構。

3.2 中點鉗位型多電平拓撲結構

3.2.1 二極管鉗位型多電平結構

為了解決器件直接串聯時的均壓問題，逐漸發(fā)展出以器件串聯為基礎，各器件分別控制的變流器結構。在這方面，日本學者A.Nabae于1983年提出的中點鉗位型PWM逆變電路結構具有開創(chuàng)性的意義。單相中點二極管鉗位型變流器的結構如圖2所示，該變流器的輸出電壓為三電平。如果去掉兩個鉗位二極管，這種變流器就是用兩個功率器件串聯使用代替單個功率器件的半橋逆變電路。由于兩個鉗位二極管的存在，各個器件能夠分別進行控制，因而避免了器件直接串聯引起的動態(tài)均壓問題。與普通的二電平變流器相比，由于輸出電壓的電平數有所增加，每個電平幅值相對降低，由整個直流母線電壓降為一半直流母線電壓，在同等開關頻率的前提下，可使輸出波形質量有較大的改善，輸出dv/dt也相應下降，因此，中點鉗位型變流器顯然比普通二電平變流器更具優(yōu)勢。

圖4

圖2中DA，DA′，DB，DB′為鉗位二極管，分壓電容C1=C2。開關管SA1，SA1′和SB1，SB1′等互補。

增加分壓電容

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