串聯堆積式多電平變換器運行特性的實驗研究

摘要：在比較分析三種多電平變換器的拓撲結構、工作原理和控制特點基礎上，對其中串聯堆積式多電平變換器進行了實驗研究，指出它固有自平衡、自穩定以及低開關電壓應力的運行特性，因而將會廣泛地應用于高壓變換器中。

關鍵詞：多電平；變換器；高壓

1? 前言

??? 隨著電力電子技術的不斷發展，對電能變換裝置的要求越來越高。近年來，多電平技術在電力電子的應用中得到了廣泛的重視。它可以用于整流、逆變以及直流斬波等多種能量變換電路中。歸納起來，多電平主要有以下幾方面特點：

??? 1)在整流或逆變電路中，采用多電平技術可以使輸入或輸出電流近似正弦波，大大減小了諧波污染，提高了功率因數；

??? 2)多電平的引入可以使開關器件的電壓額定值成倍減低，使低壓開關管能夠應用于高壓場合中；

??? 3)箝位多電平技術可以實現穩態和動態時均衡分壓，并且限制dv/dt，抑制電磁干擾影響；

??? 4)在DC/DC變換中可以將準諧振軟開關與多電平技術相結合，減小開關損耗，提高效率；

??? 5)多電平技術使變換器模塊化成為可能，提高額定容量，增加冗余。

??? 基于以上特點，多電平技術未來將會在電力電子技術的發展中起到重要作用。以下將在比較研究串級式多電平(cascade multi-level)、箝位二極管式多電平(diode clamp multi-level)和串聯堆積式多電(series-stacked multi-level)三種變換器的拓撲結構、工作原理和控制方式基礎上，對串聯堆積式多電平變換器工作特性進行實驗研究。

2? 三種多電平變換器分析比較

2.1? 串級式多電平變換器

??? 串級式多電平變換器如圖1所示，是將多個功率變換器模塊串聯后直接給負載供電。

??? 從圖1可見，串級式多電平結構簡單，串聯的每個功率變換器僅向負載提供一部分電壓，從而即提高了輸出電壓等級，并且可以使變換器產生多級電平輸出。在控制過程中，它不需要對各模塊內部進行控制調節，而由主輸出閉環控制器對模塊工作進行監控。

圖1? 串級式多電平變換器

??? 該電路拓撲的一個重要特點是它需要多級隔離母線，因而適用于如蓄電池等輸入隔離的電源場合，一般用于低頻（電源基頻）變換中。

2.2? 箝位二極管式多電平變換器

??? 圖2為一典型的箝位二極管式多電平變換器拓撲。箝位二極管式多電平變換器是直接在高壓直流電源側并聯多級串聯電容及箝位二極管來減小功率開關管的電壓應力。

圖2? 箝位二極管式五電平變換器拓撲

??? 該種變換器非常適合于三相功率因數校正電路，因為這時電路直流側Vdc的電壓一般為750～800V，甚至達到1000V。這就要求大幅度地提高PFC后級直流變換器電壓額定值，成本大幅度地上升。串級式多電平變換器拓撲就可根據已有的開關器件，成倍地減小開關電壓應力，例如原來必須采用1000V開關器件的，現在三電平變換器拓撲后只須500V開關管就足夠了，降低了成本，滿足了實際需要。因此目前，在中高電壓大功率DC/DC變換器中，主要采用三電平變換器拓撲。

??? 但該種變換器在高于三電平時，電路拓撲及控制較復雜。

2.3? 串聯堆積式多電平變換器

??? 串聯堆積式多電平變換器如圖3所示，它可以看做串級式多電平變換器和箝位二極管式多電平變換器的組合，即利用后者直流高壓電源側并聯多級串聯電容降低各輸入變換器電壓應力，又利用前者多個功率變換器模塊串聯來產生多級電平輸出，因而兼有兩者的優點，所不同之處在于它的各變換器模塊之間需通過變壓器耦合后再對負載供電。

圖3? 串聯堆積多電平變換器

??? 此拓撲結構一般采用了分散邏輯控制方法^[1]。與多級串級式多電平變換器相比，無須利用多光纖來傳送驅動信號和狀態反饋信號以及為減少各模塊之間的共模電壓干擾對被測各模塊的電壓和電流進行隔離。在分散控制中，僅需一條光纖傳送驅動信號和狀態反饋信號，每一模塊可以現場檢測電壓和電流，減小了模塊之間的共模電壓干擾。因此提高了系統的可靠性。

3? 串聯堆積式多電平變換器實驗研究

??? 實驗電路是一臺單相串聯堆積式三電平逆變器，如圖4所示。實驗電路主要參數如表1所列。

表1? 實驗電路主要參數

圖4? 三電平串聯堆積式逆變器

??? 外加電阻R_un接在第一級電平母線上，通過這個外加電阻的開或合來模擬三電平逆變器輸入直流母線電壓的不平衡。圖5是測試得到的三電平電壓(V₁、V₂和V₃)和輸出交流電壓(V_o)，從圖5中可以看到，輸出交流電壓V_o有效值即使在母線不平衡條件下仍能保持恒定，具有較好的自平衡、自穩定瞬態響應能力。三電平母線電壓經過大約500ms將達到新的平衡，新平衡母線電壓值比原來起始母線電壓值低約25V。

圖5? 逆變器自平衡波形

??? 如果再引入一個簡單的外環控制將進一步降低逆變器的自平衡響應時間。這個外環控制采用比例控制，將各模塊變換器電壓與母線之間電壓差比較輸出。圖6是加入外環控制后的測試結果。從圖6中可以看到，經過20ms母線上各電壓即可達到新的平衡，比不加外環控制時平衡時間縮短了約25倍。因此，經過對控制系統的優化，此串聯堆積三電平逆變器的自平衡能力將得到有效的改善。

圖6? 帶外環控制逆變器自平衡波形

??? 以上研究表明，串聯堆積式多電平變換器由于固有自平衡、自穩定以及功率開關電壓應力低等特點，使它能廣泛地應用于高電壓變換器中，是大功率高電壓輸入模塊變換器的良好解決方案。

4? 結語

??? 本文分析比較了三種多電平變換器。經過對它們各自特點的研究，將使多電平技術能更好地應用于電力電子變換器的設計中。可以預見，基于多電平的鮮明特點，它將在今后變換器設計中起到越來越重要的作用。最后，值得一提的是，高于三電平的多電平控制技術還有待于進一步研究。