高壓大功率變換器拓撲結構的演化及分析和比較

(b) 主電路結構

(c) 功率單元結構

圖4 單元串聯(lián)多電平變換器

由于不是采用傳統(tǒng)器件串聯(lián)方式來實現(xiàn)高壓輸出，而是采用整個功率單元串聯(lián)，所以，不存在器件串聯(lián)引起的均壓問題。由于串聯(lián)功率單元較多，對單元本身的可靠性要求很高。輸入變壓器實行多重化設計，達到降低諧波電流的目的。

4.1.2 同其他拓撲結構的比較

與采用高壓器件直接串聯(lián)的變頻器相比，采用這種主電路拓撲結構會使器件的數(shù)量增加。但低壓IGBT門極驅(qū)動功率較低，其峰值驅(qū)動功率不到5W，平均驅(qū)動功率不到1W，驅(qū)動電路非常簡單。由于開關頻率低，且不必采用均壓電路和浪涌吸收電路，所以系統(tǒng)在效率方面具有較大的優(yōu)勢。功率單元采用目前低壓變頻器中廣泛使用的低壓IGBT功率模塊，技術成熟、可靠。由于采用二極管不可控整流電路結構，所以，變頻器對浪涌電壓的承受能力較強。

相對于二極管鉗位型和電容鉗位型多電平變流器，這種結構避免了使用大量的鉗位二極管或電壓平衡電容。每個獨立直流源與一個單相全橋變流器相連。交流側的端電壓通過串聯(lián)方式疊加，形成多電平變流器的輸出電壓。每個單相全橋變流器可以產(chǎn)生一個三電平的輸出電壓。由m個變流器單元級聯(lián)而成的多電平變流器的電平數(shù)為（2m＋1）。

單元級聯(lián)多電平拓撲結構的優(yōu)點是：

1）使用串聯(lián)的方法可以將耐壓低、開關頻率也不高的功率器件直接應用到高壓大功率場合；

2）基于單元串聯(lián)結構，每個單元的控制邏輯都是獨立的，從而解決了中點鉗位逆變電路在電平數(shù)增加時，開關邏輯越來越復雜的問題；

3）各單元互相隔離，串級電路結構不存在靜、動態(tài)均壓問題；