新型多电平逆变器组合拓扑结构和多电平逆变器的容错技术

【摘要】：多电平变换器因具有小的输出波形THD值、低的器件电压应力和低的系统 EMI等优点而成为高压大功率研究应用的热点。然而,现有的多电平变换器拓扑 都存在一定的缺点,使它们在实际应用中存在一定的局限性。并且,随着电平数 的增多,电路拓扑和控制的复杂性增加,使变换器系统的可靠性降低。本文的工 作,就是基于上述两点,对多电平逆变器的拓扑及利用容错技术提高其可靠性进 行了研究。 为了解决传统的三类多电平拓扑在实际应用中存在的缺点,本文从多电平变 换器中的电压“箝位”这个关键问题出发,提出了混合箝位的概念,并基于该概 念得到几种新型的混合箝位拓扑。重点研究了一种通过有源和无源器件共同实现 箝位的混合箝位拓扑。该拓扑不需要附加电压平衡电路和使用独立直流电压源, 不管在什么负载特性下,自身都能够实现中点电位平衡。它可以应用于有功和无 功变换场合。本文以该拓扑的五电平半桥电路进行了仿真和实验,结果验证了该 拓扑的正确性。另外还对二极管、飞跨电容、开关器件等不同箝位器件的功能进 行了比较。混合箝位概念的提出,为新型多电平拓扑的生成提供了一条新的思路。 近几年来,为了获得较好的输出频谱特性,利用较少的器件来产生较高质量 的波形成为多电平变换器一个新的发展方向。本文提出了适合于该方向的两类多 电平拓扑,并对它们的生成方法和工作原理进行了研究。其中一类为二极管箝位 组合型和飞跨电容组合型拓扑。该类拓扑通过组合传统的二极管箝位型或飞跨电 容型多电平拓扑与两电平桥臂得到。另一类为新型组合策略的飞跨电容型拓扑, 它折衷考虑了开关状态的利用和飞跨电容的电压平衡。对于该新型组合策略拓 扑,本文对不同电压比组合情况下的输出电平数和飞跨电容的电压平衡进行了研 究,并得到一些原创性的、有意义的结论:1) 主开关的电压应力等于相邻两个飞 跨电容的电压差,当两个飞跨电容的电压比越大,主开关承受的电压应力也越大; 2) 当某一个飞跨电容与相邻两个飞跨电容的电压差均为1个电平时,可以保证该 飞跨电容的电压平衡;3) 对于相同拓扑结构,输出的电平数越多,电压比的设置 方法也越多,能实现电压平衡的飞跨电容数就越少;反之,输出的电平数越少, 电压比的设置方法也越少,能实现电压平衡的飞跨电容数就越多。这两类新型拓 扑都能利用较少的器件输出较多的电平数,所以能提高电路的可靠性,降低成本。 但是其中某些器件需要承受大于单位直流母线电容的电压,所以它们比较适合应 用于中压、高性能的应用场合。这两类新型拓扑的提出,为多电平变换器提供了 新的应用方向。 论文从基于基本单元概念生成多电平变换器拓扑的思想出发,对级联型拓扑