多电平变换逆变电路拓扑分析

汤晖斌

（上海杰瑞兆新信息科技有限公司，江苏 连云港 222000）

0 引 言

随着电力电子技术的不断发展和成熟，交流变频技术及其相关装置应用范围不断扩大，取得了较好的应用效果。变频技术应用过程容易受到电磁的干扰，其在重大装备、高新技术产品等领域的应用需要相应抗干扰电力电子装置的辅助。在此背景下，多电平变换逆变电路成为重点研究内容，通过一定的拓扑结构提供多电平输出逆变电路，并在科学的控制逻辑下得到相应的正弦波形，有效降低了输出波形的谐波分量，提高了其电磁抗干扰能力。

1 多电平变换逆变电路拓扑研究背景

传统逆变器自身的电流变化率较高，容易引起较为严重的电磁污染问题。为了解决这一问题，相关研究利用多电平变换波形重组技术，尽可能使得电平变换正向波形趋于理想化状态，降低输出波形中谐波的影响。一方面，在开通大功率器件时，可以利用辅助元件上的钳位，保持电路的输出电压稳定在一个固定值状态下；另一方面，在切断功率器件时，可以利用钳位作用，控制器件两端通过和接收的电流在规定范围内。如此一来，不仅能对回路中的输出电平高低做好预先设置，还能更有效地在线路工作期间防止电压损坏功率器件的问题发生。在稳定的双电平钳位系统影响下，根据适当的拓扑构造形成各种不同的输入与输出波形，以满足各种应用要求[1]。多电平电路拓扑主要使用无源器件，如二极管或电容钳位的多电平电路拓扑和使用独立直流电源钳位的多电平电路拓扑。在多电平电路运行过程中，除了需要考虑电平钳位的问题，还需要兼顾开关控制逻辑、电路单元动静均压等问题。

2 多电平变换逆变电路拓扑

根据相应的拓扑规律，可以使众多不同的功率器件形成既定的组合连接模式，最终能够得到相应的电平逆变电路。多电平逆变电路在不断发展的过程中，逐渐衍生出多种不同的拓扑结构，其中常见的包括二极管箝位式、电容悬浮式、飞跨电容型、级联型以及混合多级式。

2.1 二极管箝位式

在多个不同二极管的共同作用下，完成对相关电路元件的箝位处理，解决电器设备在实际使用过程中产生的均压问题。对于实际应用中的二极管箝位逆变拓扑而言，可以将其设定为n个不同的电平，对应每一个桥臂实际所需的直流分电容数量为n+1，二极管的数量为(n+1)(n+2)个，开关元器件数量为2(n-1)个。集成电路基本单元经过2 次以上的串联处理，各个模块的调节逻辑相互独立，可以有效避免因中间钳位逆变回路电平数增多造成开关逻辑逐渐复杂[2]。

在二极管箝位式模式下，传统的结构逆变器中若出现3 个以上的电平，则需要增加相同标称值的二极管，从而实现对电平电压的超量处理。实际应用中二极管箝位式的电路将会产生差异性的电平，这一现象是开关器件受到众多二极管的箝位所引起的。二极管箝位式电路串联可以有效地将本身频率不高、耐压性较差的小功率器件应用到高压大功率的集成电路环境下，在实际应用过程中完成电压、电流的输出后，将会在一定程度上降低谐波畸变率[3]。串联电路单元模块化有利于后续的使用和安装，解决了以往在串联功率器件时产生的均压问题。

2.2 电容悬浮式

电容悬浮式电路拓扑在二极管箝位基础上可更新替换。它更换了更为前沿的箝位电容，使电路的直流侧电压参数值始终处于稳定状态，对应数量的电平逆变将会形成对应数量的电平相电压。

基于电容悬浮式模式替代了传统的二极管箝位之后，逆变器在使用中呈现出了更加明显的优势特征，能够实现多种变换功能，包括直流到直流、直流到交流以及交流到交流的变换，同时满足了对有功功率流量和无功功率流量的自动控制，确保在更为危险的高压直流电中也能实现正常应用[4]。需要注意的是，此类电路中需使用大量的钳位电容和功率器件。在运行过程中开关损耗较大。

2.3 飞跨电容型

飞跨电容型电路拓扑下，不仅能够有效获取参数一致的输出电压，还能实现电路中的差异性开关组合状态。基于可选择的开关组合，可以实现更加机动灵活的平衡电容与电压[5]。飞跨电容电路的众多点位分布情况如图1 所示，其中对应电平下的飞跨电容电路能够为每一桥臂平均分配2(n-1)开关器件，直流分压电容的实际数量为(n-1)个，飞跨电容的数量为(n-1)(n-2)/2 个。

图1 飞跨电容多电平三相逆变电路元件分布

2.4 级联式

级联式电平逆变电路建立在串联结构形式上，形成了众多一致的H桥臂，便于进行大范围统一生产，如图2 所示。该模式下的逆变电路充分展现出线电压冗余特征，通过完全解耦隔离直流电源来保持充足的电源容量，能够实现自动均衡，无须电路对电容、电压实施平衡处理[6]。

图2 级联式电平逆变电路示意

在级联式的多电平逆变电路应用下，呈现出冗余相电压的现象，即使在输出电压后仍旧能保持单元级联的状态。后续电路运行中也可实现相互独立的运行单元，避免对其他级联单元造成影响。

通过串联全桥逆变电路，创建独立的功率模块，构建级联式多电平逆变器，并将其广泛应用于交流柔性供电、高压大功率调速等场合[7]。在全桥逆变电路功率单元的基础上，通过2 个电平H 桥单元级联形成逆变器拓扑单臂电路结构。近年来，衍生出更加先进的对称全桥逆变电路结构。通过在单元级联的基础上创建N个不同的结构，并在此基础上组成交流输出电压串联模式，经过叠加实现基于某一相的多电平功率变换电路输出效果[8]。级联式电路拓扑能够组合电路中较低的电平输出，增加电路输出电平数量，进一步降低了谐波含量。

2.5 混合多级式

混合多级式逆变电路的开关频率较高，可以降低电路中的谐波。由不同单元共同组成全桥逆变结构，其中常用的有绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipdar Transistor，IGBT）和栅极注入增强型晶体管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）[9]。通过调节脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM），可以有效控制IGBT单元，降低整个电路中的开关损耗，减少其谐波分量。

在具体应用过程中，混合多级式逆变电路具有一个较为突出的优势，即各个混合功率单元中不同单元的预设电压不同，使得小单元可以分开控制不同功率的器件，协调电路运行情况，控制其开关过程[10]。基于此，只要在电路中使用一个功率单元，就相当于可以分别高效控制其中的多个功率器件，输出理想电平正弦波。在功率器件数量相同的情况下，可以产生更大的输出电平。为了产生更大的电平输出，还可以在保持电压比不变的情况下，不断增加混合单元中小单元的个数。

3 多电平变换逆变电路拓扑的发展

随着多电平变换逆变电路拓扑结构的持续发展，可以适时应用软开关技术。具体来看，多电平变换器会随着电平数的增加而发生变化，开关管的数量和能耗也会增加。通过应用软开关技术，可以有效改善变换器内部运行状态，提高其运行效率，持续降低各项能量损耗。

借助基本单元分析形式可以全面观察多电平变换电路拓扑结构的内在本质，探寻全新的基本单元结构，进而开发新型拓扑结构。目前，大多数多电平拓扑结构由级联式基本单元构成，通过增加或替换更多基本单元有效构建新的拓扑结构，整体变得更加快捷、简单。由于基本单元内容形式存在区别，其控制特征与输出特点也存在较大不同，具体应用时要依照实际设计需求搭设合适的拓扑结构，提升结构应用的针对性和持续性。

4 结 论

针对新型多电平变换电路的研究，需要重点解决电平钳位问题。通过分析不同多电平变换逆变电路的类别，探究不同类别下实现更多电平数和输出更理想的正弦波形的途径，为后续研究奠定基础，促进相关领域的长久发展。