多電平變換逆變電路拓撲分析

湯暉斌

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

隨著電力電子技術的不斷發展和成熟，交流變頻技術及其相關裝置應用范圍不斷擴大，取得了較好的應用效果。變頻技術應用過程容易受到電磁的干擾，其在重大裝備、高新技術產品等領域的應用需要相應抗干擾電力電子裝置的輔助。在此背景下，多電平變換逆變電路成為重點研究內容，通過一定的拓撲結構提供多電平輸出逆變電路，并在科學的控制邏輯下得到相應的正弦波形，有效降低了輸出波形的諧波分量，提高了其電磁抗干擾能力。

1 多電平變換逆變電路拓撲研究背景

傳統逆變器自身的電流變化率較高，容易引起較為嚴重的電磁污染問題。為了解決這一問題，相關研究利用多電平變換波形重組技術，盡可能使得電平變換正向波形趨于理想化狀態，降低輸出波形中諧波的影響。一方面，在開通大功率器件時，可以利用輔助元件上的鉗位，保持電路的輸出電壓穩定在一個固定值狀態下；另一方面，在切斷功率器件時，可以利用鉗位作用，控制器件兩端通過和接收的電流在規定范圍內。如此一來，不僅能對回路中的輸出電平高低做好預先設置，還能更有效地在線路工作期間防止電壓損壞功率器件的問題發生。在穩定的雙電平鉗位系統影響下，根據適當的拓撲構造形成各種不同的輸入與輸出波形，以滿足各種應用要求[1]。多電平電路拓撲主要使用無源器件，如二極管或電容鉗位的多電平電路拓撲和使用獨立直流電源鉗位的多電平電路拓撲。在多電平電路運行過程中，除了需要考慮電平鉗位的問題，還需要兼顧開關控制邏輯、電路單元動靜均壓等問題。

2 多電平變換逆變電路拓撲

根據相應的拓撲規律，可以使眾多不同的功率器件形成既定的組合連接模式，最終能夠得到相應的電平逆變電路。多電平逆變電路在不斷發展的過程中，逐漸衍生出多種不同的拓撲結構，其中常見的包括二極管箝位式、電容懸浮式、飛跨電容型、級聯型以及混合多級式。

2.1 二極管箝位式

在多個不同二極管的共同作用下，完成對相關電路元件的箝位處理，解決電器設備在實際使用過程中產生的均壓問題。對于實際應用中的二極管箝位逆變拓撲而言，可以將其設定為n個不同的電平，對應每一個橋臂實際所需的直流分電容數量為n+1，二極管的數量為(n+1)(n+2)個，開關元器件數量為2(n-1)個。集成電路基本單元經過2 次以上的串聯處理，各個模塊的調節邏輯相互獨立，可以有效避免因中間鉗位逆變回路電平數增多造成開關邏輯逐漸復雜[2]。

在二極管箝位式模式下，傳統的結構逆變器中若出現3 個以上的電平，則需要增加相同標稱值的二極管，從而實現對電平電壓的超量處理。實際應用中二極管箝位式的電路將會產生差異性的電平，這一現象是開關器件受到眾多二極管的箝位所引起的。二極管箝位式電路串聯可以有效地將本身頻率不高、耐壓性較差的小功率器件應用到高壓大功率的集成電路環境下，在實際應用過程中完成電壓、電流的輸出后，將會在一定程度上降低諧波畸變率[3]。串聯電路單元模塊化有利于后續的使用和安裝，解決了以往在串聯功率器件時產生的均壓問題。

2.2 電容懸浮式

電容懸浮式電路拓撲在二極管箝位基礎上可更新替換。它更換了更為前沿的箝位電容，使電路的直流側電壓參數值始終處于穩定狀態，對應數量的電平逆變將會形成對應數量的電平相電壓。

基于電容懸浮式模式替代了傳統的二極管箝位之后，逆變器在使用中呈現出了更加明顯的優勢特征，能夠實現多種變換功能，包括直流到直流、直流到交流以及交流到交流的變換，同時滿足了對有功功率流量和無功功率流量的自動控制，確保在更為危險的高壓直流電中也能實現正常應用[4]。需要注意的是，此類電路中需使用大量的鉗位電容和功率器件。在運行過程中開關損耗較大。

2.3 飛跨電容型

飛跨電容型電路拓撲下，不僅能夠有效獲取參數一致的輸出電壓，還能實現電路中的差異性開關組合狀態。基于可選擇的開關組合，可以實現更加機動靈活的平衡電容與電壓[5]。飛跨電容電路的眾多點位分布情況如圖1 所示，其中對應電平下的飛跨電容電路能夠為每一橋臂平均分配2(n-1)開關器件，直流分壓電容的實際數量為(n-1)個，飛跨電容的數量為(n-1)(n-2)/2 個。

圖1 飛跨電容多電平三相逆變電路元件分布

2.4 級聯式

級聯式電平逆變電路建立在串聯結構形式上，形成了眾多一致的H橋臂，便于進行大范圍統一生產，如圖2 所示。該模式下的逆變電路充分展現出線電壓冗余特征，通過完全解耦隔離直流電源來保持充足的電源容量，能夠實現自動均衡，無須電路對電容、電壓實施平衡處理[6]。

圖2 級聯式電平逆變電路示意

在級聯式的多電平逆變電路應用下，呈現出冗余相電壓的現象，即使在輸出電壓后仍舊能保持單元級聯的狀態。后續電路運行中也可實現相互獨立的運行單元，避免對其他級聯單元造成影響。

通過串聯全橋逆變電路，創建獨立的功率模塊，構建級聯式多電平逆變器，并將其廣泛應用于交流柔性供電、高壓大功率調速等場合[7]。在全橋逆變電路功率單元的基礎上，通過2 個電平H 橋單元級聯形成逆變器拓撲單臂電路結構。近年來，衍生出更加先進的對稱全橋逆變電路結構。通過在單元級聯的基礎上創建N個不同的結構，并在此基礎上組成交流輸出電壓串聯模式，經過疊加實現基于某一相的多電平功率變換電路輸出效果[8]。級聯式電路拓撲能夠組合電路中較低的電平輸出，增加電路輸出電平數量，進一步降低了諧波含量。

2.5 混合多級式

混合多級式逆變電路的開關頻率較高，可以降低電路中的諧波。由不同單元共同組成全橋逆變結構，其中常用的有絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipdar Transistor，IGBT）和柵極注入增強型晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）[9]。通過調節脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM），可以有效控制IGBT單元，降低整個電路中的開關損耗，減少其諧波分量。

在具體應用過程中，混合多級式逆變電路具有一個較為突出的優勢，即各個混合功率單元中不同單元的預設電壓不同，使得小單元可以分開控制不同功率的器件，協調電路運行情況，控制其開關過程[10]。基于此，只要在電路中使用一個功率單元，就相當于可以分別高效控制其中的多個功率器件，輸出理想電平正弦波。在功率器件數量相同的情況下，可以產生更大的輸出電平。為了產生更大的電平輸出，還可以在保持電壓比不變的情況下，不斷增加混合單元中小單元的個數。

3 多電平變換逆變電路拓撲的發展

隨著多電平變換逆變電路拓撲結構的持續發展，可以適時應用軟開關技術。具體來看，多電平變換器會隨著電平數的增加而發生變化，開關管的數量和能耗也會增加。通過應用軟開關技術，可以有效改善變換器內部運行狀態，提高其運行效率，持續降低各項能量損耗。

借助基本單元分析形式可以全面觀察多電平變換電路拓撲結構的內在本質，探尋全新的基本單元結構，進而開發新型拓撲結構。目前，大多數多電平拓撲結構由級聯式基本單元構成，通過增加或替換更多基本單元有效構建新的拓撲結構，整體變得更加快捷、簡單。由于基本單元內容形式存在區別，其控制特征與輸出特點也存在較大不同，具體應用時要依照實際設計需求搭設合適的拓撲結構，提升結構應用的針對性和持續性。

4 結 論

針對新型多電平變換電路的研究，需要重點解決電平鉗位問題。通過分析不同多電平變換逆變電路的類別，探究不同類別下實現更多電平數和輸出更理想的正弦波形的途徑，為后續研究奠定基礎，促進相關領域的長久發展。