關鍵詞：有源軟開關；多電平逆變器；拓撲結構

1引言

多電平變換技術由于具有諸如減少了器件的電壓應力，勿須器件串聯而無均壓問題，減少了輸出電壓的諧波含量，減少了由于dv/dt和di/dt所造成的電磁干擾等優點，因此受到了更多關注，它的出現為高壓大功率變換器的研制開辟了一條新思路。經過多年的研究和發展，多電平變換器主要有三種拓撲結構：

1）二極管箝位式(Diode?Clamped)；

2）電容箝位式(Flying?Capacitors)；

3）具有獨立直流電源的級聯式逆變器

(Cascaded?InverterswithSeparatedDCSources)[1][2]。

多電平變換技術已經成為電力電子領域中高壓大功率變換方面最活躍的分支[3]。多電平變換器主要應用在高壓大功率場合，其開關器件所承受的電壓應力和電流應力都比較大，因此，隨著開關頻率的上升，多電平變換器由于硬開關造成的開關損耗相當可觀，使電路的效率大大降低，處理功率的能力大幅度下降；同時，多電平變換器由于工作在硬開關狀態下造成的過高的dv/dt和di/dt將會產生更為嚴重的電磁干擾。為了解決多電平變換器高頻化和由硬開關所引起的諸多問題，近年來，把有源軟開關技術應用到多電平變換器的文獻屢有報道，并取得了較好的效果。本文將對見諸于文獻的多電平變換器的各種有源軟開關技術進行分析和比較，并指出各自的優缺點以及應用前景。

2二極管箝位型多電平逆變器的有源軟開

關技術

經過研究者們多年的努力，已提出了二電平逆變器的的多種有源軟開關拓撲，主要集中在直流環節諧振型逆變器和極諧振型逆變器。到目前為止，有關多電平逆變器的有源軟開關技術的研究也主要是把直流環節諧振型逆變器和極諧振型逆變器兩種軟開關拓撲拓展到多電平電路中。

2.1模塊化箝位型直流環節三電平軟開關逆變器[4][5]

模塊化箝位型直流環節三電平軟開關逆變器的結構如圖1所示。Cr1和Cr2是諧振電容，Lr1和Lr2是

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圖1模塊化箝位型直流環節三電平軟開關逆變器

圖2模塊化箝位型直流環節三電平軟開關變換

模塊的控制邏輯框圖

諧振電感。諧振電容、諧振電感和輔助開關組成了直流環節的軟開關變換模塊。Cr1=Cr2、Lr1=Lr2，所以兩個準諧振槽路在直流環節上組成了一個鏡像對稱的模塊，如圖中虛線部分所示。

在開關切換期間，箝位開關S1′和S2′處于關斷狀態，把逆變器的母線電壓從直流環節中釋放出來，以使P點和M點的電壓通過諧振降到零，為軟開關的實現提供條件。此時，三電平逆變器的主開關器件在零電壓條件下可實現軟開關操作。當開關完成切換后，通過開通箝位開關S1′和S2′，結束諧振過程，把直流環節的電壓加到母線的正極和負極之間。因為上部諧振槽路和下部諧振槽路是鏡像對稱的，所以它們的工作原理是相同的。但是，在實際的系統中，上部諧振槽路的變換電流Io1和下部諧振槽路變換電流Io2由于中點電流IN的作用而可能不相等，所以逆變器的正極母線電壓和負極母線電壓諧振到中點電壓所需要的時間可能不相等，這樣會影響零電壓的開關條件。為了保證實現零電壓的條件，需要用同步邏輯來同步上部諧振槽路和下部諧振槽路。為了以適當的次序觸發上部諧振槽路和下部諧振槽路的諧振，定義觸發上部諧振槽路和觸發下部諧振槽路之間的延遲時間為td，它正比于中點電流IN，td==。中點電流的方向決定哪個諧振槽路的諧振過程被延遲觸發，如圖1所示，如果中點電流是正極性，即IN>0，上部諧振槽路的諧振過程被延遲td后再觸發，否則，下部諧振槽路的諧振過程將被延遲td后觸發。

圖2是諧振槽路的簡化控制邏輯框圖，軟開關變換模塊從逆變器的控制器接受PWM模式。當PWM模式有變化時，檢測電路將產生一個信號來觸發零電壓變換過程。同步電路用來保證上部諧振槽路和下部諧振槽路同時達到零電壓。一旦零電壓條件建立了，主開關則可以在零電壓下開關，PWM重新安排模塊緊接著發出新的PWM模式到門極電路。

該電路的優點是：

1）模塊化設計。輔助變換電路中所用的元器件較少。

2）主開關器件所承受的電壓和電流應力和硬開關逆變器所承受的電壓和電流應力相等。

3）逆變器的主開關器件和輔助電路的箝位開關是零電壓開通；輔助電路中的輔助開關是零電流關斷。 該電路的缺點是：

由于中點電流的影響，逆變器的正極母線電壓和負極母線電壓諧振到中點電壓所需要的時間可能不相等，需要外加控制邏輯來使兩者同步，增加了電路的復雜性，降低了電路的可靠性。

2.2二極管箝位型多電平逆變器的輔助諧振變換

極軟開關拓撲

在高壓大功率應用場合，提出了各種各樣的軟開關拓撲，其中，輔助諧振變換極電路(auxiliaryresonantcommutatedpoleinverter)是較為成功的一種。近年來的文獻表明把輔助諧振變換極的拓撲擴展到二極管箝位多電平逆變器中去，理論上是可行的，圖3、圖4概括了已經提出的三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲[6][7][8][9][10]。

文獻[8]提出了圖3所示的電路，該電路的輔助諧振變換電路由輔助開關Saux1和Saux2、諧振電感Laux、關斷吸收電容C1、C2和C3組成。輔助開關Saux1幫助主開關Sa1和Sa1′在軟開關條件下完成變換，輔助開關Saux2幫助主開關Sa2和Sa2′在軟開關條件下完成變換。C1作為開關Sa1的關斷吸收電容，C2作為開關Sa2′的關斷吸收電容，C3作為內部開關管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′的關斷吸收電容。

該電路的優點是：

1）所需附加元器件的數量最少；

2）可實現主開關管的零電壓開關和輔助開關管的零電流開關。

該電路的缺點是：

多電平逆變器有源軟開關技術的研究

圖4輔助諧振變換極三電平逆變器[9]

圖3輔助諧振變換極三電平逆變器[8]

圖5輔助諧振變換極三電平逆變器[10]

1）輔助開關所承受的阻斷電壓是0.75Udc，阻斷電壓的數值較高。

2）流過吸收電容C3的電流有效值是流過吸收電容C1和C2的電流有效值的1.4倍。

3）內部開關管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′在關斷時，其能量是間接地被電容C3吸收，這樣會造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。 為了克服圖3電路存在的缺點，文獻[9]和文獻[10]分別提出了圖4和圖5所示的電路。

圖4所示電路的輔助諧振變換電路由輔助開關Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、關斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。當開關管Sa2導通和Sa2′關斷時，輔助開關Saux1幫助主開關Sa1和Sa1′在軟開關條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到正極母線和中點；當開關管Sa1導通和Sa1′關斷時，輔助開關Saux2幫助主開關Sa2和Sa2′在軟開關條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到負極母線和中點。C1作為開關管Sa1的關斷吸收電容，C2作為開關管Sa2和箝位二極管Da的關斷吸收電容，C3作為開關管Sa1′和箝位二極管Da′的關斷吸收電容，C4作為開關管Sa2′的關斷吸收電容。

該電路的優點是：

1）輔助開關所承受的阻斷電壓減小到0.5Udc。

2）可實現主開關管的零電壓開關和輔助開關管的零電流開關。

3）箝位二極管關斷時的能量直接被吸收電容所吸收，減少了雜散電感，也減少了關斷時因二極管的反向恢復特性造成的損耗。

該電路的缺點是：

1）用了兩個諧振電感，電路的元器件數量較多。

2）對于軟開關變換來說，當一個開關周期內的平均輸出電壓和平均輸出電流的乘積(即平均輸出功率)大于零時，吸收元器件的布置是最優的，因為此時，變換出現在被直接吸收的器件Sa1和Da之間以及Sa2′和Da′之間；當一個開關周期內的平均輸出功率小于零時，變換出現在被間接吸收的內部開關管Sa2或Sa1′上，此時會造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。

為了克服圖4所示電路的缺點，使吸收元器件的布置是最優的，文獻[10]提出了圖5所示的軟開關拓撲。該電路的輔助諧振變換電路由輔助開關Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、Sa與Da、Da′與Sa′所組成的有源箝位開關及關斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。但是該電路中吸收電容的布置與圖4所示電路中吸收電容的布置不同，每個主開關器件都并聯有一個直接吸收電容。這樣的結構使雜散電感減少到最小，并減少了由于平均輸出功率小于零的變換所帶來的損耗。然而，該電路需要有源箝位開關來控制在軟開關變換時吸收電容的充電過程。有源箝位開關的積極作用是在低速和高轉矩操作時，提高靜態電壓的平衡和開關器件之間的損耗平衡。

該電路的優點是：

1）使雜散電感減少到最小，大大減小了發生寄生震蕩的幾率。

2）可實現主開關管的零電壓開關和輔助開關管的零電流開關。

3）在低速和高轉矩操作時，提高了靜態電壓的平衡和開關器件之間的損耗平衡。 該電路的缺點是：增加了兩個有源箝位開關管，采用了兩個諧振電感，使電路中元器件的數量增多，增加了電路的復雜性，降低了電路的可靠性。

在實際應用當中，上述三種電路還存在著以下問題：

1）中點穩定性問題。由于三電平輔助諧振變換極軟開關拓撲的直流環節有四個電容，這樣就存在兩個中點(1和2)。ARCP變換期間，兩個中點的充電平衡由輔助電流iaux1和iaux2的方向、大小和持續時間來

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圖6電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲

圖7電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲

決定。只有當輸出電流和輸出電壓之間的相移在±90°附近時，即負載是純無功負載時，對于輔助電流iaux1和iaux2來說，它們分別流入中點1和中點2的電流的安秒值在一個輸出周期內才相等。在其它情況下，中點將會產生偏移。因此在二極管箝位型三電平輔助諧振變換極逆變器中，由于存在兩個相互獨立的中點，充電平衡所帶來的中點穩定的問題是不可避免的。

2）輔助開關的反并二極管關斷時由于其反向恢復特性在輔助開關兩端將造成過電壓，雖然各種各樣的減少過電壓的方案被提出，但是都大大增加了電路的復雜性。 表1概括和比較了上面三種三電平輔助諧振變換極軟開關拓撲的元器件參數特性。

表1三種電路拓撲元器件參數的比較比較參數圖3圖4圖5
輔助開關數量121212
阻斷電壓0.75Udc0.5Udc0.5Udc
峰值電流相對值100％100％100％
箝位開關箝位二極管/箝位開關6/06/06/6
阻斷電壓0.5Udc0.5Udc0.5Udc
吸收電容數量91212
電壓應力0.5Udc0.5Udc0.5Udc
RMS電流相對值6×100％3×141％12×100％12×100％
諧振電感數量366
RMS電流相對值100％70.7％70.7％
2.3二極管箝位型N電平輔助諧振變換極軟開關

拓撲的討論

文獻[6][10]把二極管箝位型三電平輔助諧振變換極軟開關拓撲的概念擴展到N電平逆變器。顯然，N電平輔助諧振變換極軟開關拓撲仍然存在中點穩定的問題；而且，附加元器件的數量也大為增加；系統的可靠性，控制的復雜性也阻礙了把N電平輔助諧振變換極軟開關拓撲應用到工業中去。需要強調的是，N電平輔助諧振變換極軟開關拓撲中點穩定性問題不是由于元器件參數的波動或寄生參數的影響而造成的，而是因為電路拓撲本身的缺點而造成的。不難得出，N電平輔助諧振變換極軟開關的中點穩定性問題和拓撲的復雜性使該電路拓撲應用到實際的工業系統中去的可能性很小。

3電容箝位型多電平逆變器的有源軟開關技術

迄今為止，有關電容箝位型多電平逆變器的有源軟開關技術的研究非常有限。文獻[7]和文獻[11]把輔助諧振變換極軟開關的概念引入到電容箝位型多電平逆變器當中。

3.1電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟

開關拓撲

文獻[11]提出的電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲如圖6所示。

該電路的輔助開關接在直流母線的正極和負極之間，諧振電感Laux和電容C1、C2、C3、C4組成諧振路徑。該電路有個致命的弱點，即輔助開關所承受的阻斷電壓等于Udc，這就使該電路失去了實際應用的意義。

文獻[7]提出了另外一種電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲如圖7所示。一個輔助開關連接在輸出端（經Laux2）和箝位電容的中點，另外一個輔助開關連接在箝位電容的中點（經Laux1）和直流環節的中點。該電路的輔助開關所承受的阻斷電壓僅為Udc/4。和二極管箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲相比，此電路的兩個中點(1和2)的電壓是穩定的。箝位電容的中點由輔助電流來決定，每隔一個開關周期輔助電流交替改變方向，并不受功率因數的影響。該電路采用了硬開關電容箝位型三電平逆變器中為穩定箝位電容電壓所采用的方法，即交替利用三電平變換器的兩個可能的零狀態，使箝位電容的中點電壓趨于穩定。此外，輸出電流每隔180°，輔助電流iaux1和iaux2的方向改變一次，用來平衡由于調制策略和功率因數造成的輸出電流的不對稱。由于在三相系統中，輸出電流是三相對稱的，因此直流環節中點可以按照傳統的兩電平輔助諧振變換極電壓源型逆變器的中點穩定的方式來趨于穩定。

但是，該電路存在以下缺點：

多電平逆變器有源軟開關技術的研究

圖8電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲

1）和二極管箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲一樣，輔助開關的反并二極管關斷時由于其反向恢復特性在輔助開關兩端將造成過電壓。 2）對寄生電感參數很靈敏，處理不好，會引起寄生震蕩。

3.2電容箝位型N電平輔助諧振變換極軟開關拓

撲的討論

文獻[7]把電容箝位型三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲拓展到了電容箝位型N電平逆變器中，如圖8所示。所有輔助開關的阻斷電壓都相等，都等于Udc/〔2(N－1)〕。表2是N電平輔助諧振變換極軟開關的主要特性。

表2電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振

變換極軟開關的主要特性主開關輔助開關
數量3×2(N－1)3×(N－1)
阻斷電壓Udc/(N－1)Udc/〔2×（N－1)〕
軟開關類型零電壓開關零電流開關
電容箝位型N電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲目前只是在理論上作了一些探討，中點平衡問題需要作進一步的研究，應用到實際當中，還有很多工作要做。

4結語

所謂多電平逆變器的有源軟開關技術，是在多電平逆變器原有的主電路結構中，附加一些輔助的有源開關器件和電感，電容，通過適當的檢測和時序控制，軟化功率器件的開關過程，實現軟開關的功能。目前，關于多電平逆變器軟開關技術的研究，多集中在有源軟開關方面，得到了一些多電平逆變器有源軟開關電路拓撲。從以上的分析，可以看出這些電路拓撲的換流過程相對簡單；但是所有的多電平有源軟開關拓撲，全都加上了有源輔助開關及相應的檢測和控制電路，由于多電平變換器自身拓撲結構和控制已經相當復雜，再加上有源輔助開關及相應的檢測和控制電路，使系統的復雜性增加，從而降低了系統的可靠性。因此，在可靠性要求較高的場合，多電平逆變器有源軟開關技術的應用還有一定的困難，還有很多工作要做。 與有源軟開關技術相比，無源軟開關技術不需要有源輔助開關及相應的檢測和控制電路，所以在電路的復雜性和可靠性方面具有很大的優勢，目前，有關多電平逆變器的無源軟開關技術的研究很少，因此，把無源軟開關技術應用到多電平逆變器中，是多電平逆變器軟開關技術領域的一個值得關注的方向。 參考文獻

[1]Jih?ShengLa,FengZhengPeng.MultilevelConverters

—ANewBreedofPowerConverters[J].IEEETrans.onIndustryApplications,1996,32(3):509－517.

[2]A.Nabae,I.TakahashiandH.Akagi.ANewNeutral?Point?

ClampedPWMInverter[J].IEEETrans.onIndustrialApplications,1981,17(5):518～523.

[3]R.Teodorescu,F.Blaabjerg,J.K.Pedersen.Multilevel

Converters—ASurvey[C].Proc.ofEPE'1999:7～10.

[4]JieChangetal.Modular,PinchedDC?LinkandSoft

CommutatedThree?levelInverter[C].IEEEProc.ofPESC'1999:1065～1070.

[5]JunHu,JieChang,PengF.Zetal.Modulardesignof

Soft?SwitchingCircuitforTwo?LevelandThree?levelInverters[C].ProceedingsofPIEMC2000,1:143～146.

[6]XiaomingYuanetal.Evaluationofsoftswitchingtechniques

fortheneutral?point?clamped(NPC)inverter[C].IEEEProc.PESC'1999.

[7]RalphTeichmannetal.ComparisonofMultilevelARCP

Topologies[C].Proc.ofIPEC'2000:2035～2040.

[8]JungG.Choetal.ThreeLevelAuxiliaryResonantCommutated

PoleInverterforHighPowerApplications[C].IEEEProc.ofPESC'1996:1019～1026.

[9]XiaomingYuan,G.Orglmeister,I.Barbi.ARCPIResonant

SnubberfortheNeutralPointClamped(NPC)Inverter[C].

Conf.Rec.IEEE?IAS,1999.

[10]R.Teichmann,S.Bernet.AMultilevelARCPVoltage

SourceConverterTopology[C].Conf.Rec.IEEE?IECON,1999.

[11]F.R.Dijkhuizen,J.L.Duarteetal.MultilevelConverter

withAuxiliaryResonantCommutatedPole[C].Conf.Rec.

IEEE－IAS,1998:1440～1446.