多電平變換器拓撲結構和控制方法研究

這種結構與以上所述的二極管箝位式和電容箝位式結構比較有以下優點：

1）實現了電容電壓的自動箝位，不需要復雜的電容電壓平衡控制算法；

2）將此結構的輸出端和輸入端交換，可以用相同電路實現功率的雙向流動，所以，這種結構應用范圍廣泛，可以實現 DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率轉換。

該結構的缺點：

1）當電平增加時，所需要的電容和功率開關數目都會增加許多，使得系統的成本和體積增大；

2）由于使用了大量的功率開關和箝位電容，使得電路在工作時的開關損耗增大；

3）隨著電路級數的增加，由于功率開關的通態壓降引起的每級電壓降落將越來越明顯。

2.2 具有獨立直流電源的級聯式多電平逆變器

以上使用無源元器件箝位的多電平逆變器拓撲都是采用半橋結構，下面分析的功率單元串級逆變電路^[5]和混合單元的串級逆變電路，其基本單元都是基于全橋結構的。級聯式多電平逆變器拓撲結構是將進行了相對位移的復合H橋逆變器模型串聯起來，通過合成輸出多電平電壓波形。

2.2.1 功率單元串聯逆變電路

以基本單元為基礎，根據系統對輸出電壓、電平數的要求可決定串聯的單元數。每相串聯的單元數為M，則輸出相電壓波形所含電平數為2M＋1，輸出線電壓波形所含電平數為4M＋1。圖5是Y型連接的三相七電平串級電路結構。

圖 5 Y型 連 接 的 三 相 7電 平 串 級 逆 變 器 電 路

Fig.5 Connected shape three phases seven levels cascade converter

相對于傳統中點箝位逆變電路，串級逆變電路有下列優點：

1）直流側采用相互分離的直流電源，不存在電壓均衡問題；

2）結構簡單清晰，控制方法相對簡單，可分別對每一級進行PWM控制；

3）H橋單元結構，為模塊化設計、制造帶來方便，另外，當H橋出現故障，可將其旁路，余下的單元可以繼續工作。

這種結構的缺點在于：每個單元需要一個獨立的直流電源。隨著電平數的增加，串級電路單元使用的直流電源數也將大量增加。

2.2.2 混合單元串聯逆變電路

通常，開關速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的電壓容量比較低，而高電壓容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的開關頻率又較低。為了用更少的單元得到更多的電平，基于“混合功率單元[6]”的串級逆變電路得到了發展。這種結構是傳統功率單元串聯逆變電路的推廣。

文獻[7]提出了對2個獨立單元的直流箝位電源采用電壓比為1：2，一個單元使用IGBT，另一個單元使用IGCT的混合串級逆變電路，IGCT單元上的電壓2倍于IGBT單元，如圖6所示。在控制上，以基波開關IGCT，以PWM方式調制IGBT。比起功率單元串級電路，這種混合單元的串級電路有一個優點：由于2個單元預先給定的電壓不同，IGBT單元和IGCT單元可以通過控制各自功率器件的開斷來相互協調，從而實現單相7電平的輸出。這種結構達到了用更少的單元得到更多電平的目的。

圖 6 IGBT和 IGCT組 成 的 混 合 單 元

Fig.6 Hybrid cell with IGBT and IGCT