多電平變換逆變電路拓?fù)浞治?/h1>
2023-08-22 01:24:24湯暉斌
通信電源技術(shù) 2023年11期
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(shù)的不斷發(fā)展和成熟，交流變頻技術(shù)及其相關(guān)裝置應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，取得了較好的應(yīng)用效果。變頻技術(shù)應(yīng)用過程容易受到電磁的干擾，其在重大裝備、高新技術(shù)產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用需要相應(yīng)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(diǎn)研究?jī)?nèi)容，通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供多電平輸出逆變電路，并在科學(xué)的控制邏輯下得到相應(yīng)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?fù)溲芯勘尘?/h2>
傳統(tǒng)逆變器自身的電流變化率較高，容易引起較為嚴(yán)重的電磁污染問題。為了解決這一問題，相關(guān)研究利用多電平變換波形重組技術(shù)，盡可能使得電平變換正向波形趨于理想化狀態(tài)，降低輸出波形中諧波的影響。一方面，在開通大功率器件時(shí)，可以利用輔助元件上的鉗位，保持電路的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定值狀態(tài)下；另一方面，在切斷功率器件時(shí)，可以利用鉗位作用，控制器件兩端通過和接收的電流在規(guī)定范圍內(nèi)。如此一來(lái)，不僅能對(duì)回路中的輸出電平高低做好預(yù)先設(shè)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(fā)生。在穩(wěn)定的雙電平鉗位系統(tǒng)影響下，根據(jù)適當(dāng)?shù)耐負(fù)錁?gòu)造形成各種不同的輸入與輸出波形，以滿足各種應(yīng)用要求[1]。多電平電路拓?fù)渲饕褂脽o(wú)源器件，如二極管或電容鉗位的多電平電路拓?fù)浜褪褂锚?dú)立直流電源鉗位的多電平電路拓?fù)?。在多電平電路運(yùn)行過程中，除了需要考慮電平鉗位的問題，還需要兼顧開關(guān)控制邏輯、電路單元?jiǎng)屿o均壓等問題。
2 多電平變換逆變電路拓?fù)?/h2>
根據(jù)相應(yīng)的拓?fù)湟?guī)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(yīng)的電平逆變電路。多電平逆變電路在不斷發(fā)展的過程中，逐漸衍生出多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中常見的包括二極管箝位式、電容懸浮式、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)型以及混合多級(jí)式。
2.1 二極管箝位式
在多個(gè)不同二極管的共同作用下，完成對(duì)相關(guān)電路元件的箝位處理，解決電器設(shè)備在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生的均壓?jiǎn)栴}。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的二極管箝位逆變拓?fù)涠?，可以將其設(shè)定為n個(gè)不同的電平，對(duì)應(yīng)每一個(gè)橋臂實(shí)際所需的直流分電容數(shù)量為n+1，二極管的數(shù)量為(n+1)(n+2)個(gè)，開關(guān)元器件數(shù)量為2(n-1)個(gè)。集成電路基本單元經(jīng)過2 次以上的串聯(lián)處理，各個(gè)模塊的調(diào)節(jié)邏輯相互獨(dú)立，可以有效避免因中間鉗位逆變回路電平數(shù)增多造成開關(guān)邏輯逐漸復(fù)雜[2]。
在二極管箝位式模式下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逆變器中若出現(xiàn)3 個(gè)以上的電平，則需要增加相同標(biāo)稱值的二極管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電平電壓的超量處理。實(shí)際應(yīng)用中二極管箝位式的電路將會(huì)產(chǎn)生差異性的電平，這一現(xiàn)象是開關(guān)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(lián)可以有效地將本身頻率不高、耐壓性較差的小功率器件應(yīng)用到高壓大功率的集成電路環(huán)境下，在實(shí)際應(yīng)用過程中完成電壓、電流的輸出后，將會(huì)在一定程度上降低諧波畸變率[3]。串聯(lián)電路單元模塊化有利于后續(xù)的使用和安裝，解決了以往在串聯(lián)功率器件時(shí)產(chǎn)生的均壓?jiǎn)栴}。
2.2 電容懸浮式
電容懸浮式電路拓?fù)湓诙O管箝位基礎(chǔ)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(cè)電壓參數(shù)值始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)數(shù)量的電平逆變將會(huì)形成對(duì)應(yīng)數(shù)量的電平相電壓。
基于電容懸浮式模式替代了傳統(tǒng)的二極管箝位之后，逆變器在使用中呈現(xiàn)出了更加明顯的優(yōu)勢(shì)特征，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)滿足了對(duì)有功功率流量和無(wú)功功率流量的自動(dòng)控制，確保在更為危險(xiǎn)的高壓直流電中也能實(shí)現(xiàn)正常應(yīng)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(yùn)行過程中開關(guān)損耗較大。
2.3 飛跨電容型
飛跨電容型電路拓?fù)湎拢粌H能夠有效獲取參數(shù)一致的輸出電壓，還能實(shí)現(xiàn)電路中的差異性開關(guān)組合狀態(tài)?；诳蛇x擇的開關(guān)組合，可以實(shí)現(xiàn)更加機(jī)動(dòng)靈活的平衡電容與電壓[5]。飛跨電容電路的眾多點(diǎn)位分布情況如圖1 所示，其中對(duì)應(yīng)電平下的飛跨電容電路能夠?yàn)槊恳粯虮燮骄峙?(n-1)開關(guān)器件，直流分壓電容的實(shí)際數(shù)量為(n-1)個(gè)，飛跨電容的數(shù)量為(n-1)(n-2)/2 個(gè)。
圖1 飛跨電容多電平三相逆變電路元件分布
2.4 級(jí)聯(lián)式
級(jí)聯(lián)式電平逆變電路建立在串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式上，形成了眾多一致的H橋臂，便于進(jìn)行大范圍統(tǒng)一生產(chǎn)，如圖2 所示。該模式下的逆變電路充分展現(xiàn)出線電壓冗余特征，通過完全解耦隔離直流電源來(lái)保持充足的電源容量，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)均衡，無(wú)須電路對(duì)電容、電壓實(shí)施平衡處理[6]。
圖2 級(jí)聯(lián)式電平逆變電路示意
在級(jí)聯(lián)式的多電平逆變電路應(yīng)用下，呈現(xiàn)出冗余相電壓的現(xiàn)象，即使在輸出電壓后仍舊能保持單元級(jí)聯(lián)的狀態(tài)。后續(xù)電路運(yùn)行中也可實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的運(yùn)行單元，避免對(duì)其他級(jí)聯(lián)單元造成影響。
通過串聯(lián)全橋逆變電路，創(chuàng)建獨(dú)立的功率模塊，構(gòu)建級(jí)聯(lián)式多電平逆變器，并將其廣泛應(yīng)用于交流柔性供電、高壓大功率調(diào)速等場(chǎng)合[7]。在全橋逆變電路功率單元的基礎(chǔ)上，通過2 個(gè)電平H 橋單元級(jí)聯(lián)形成逆變器拓?fù)鋯伪垭娐方Y(jié)構(gòu)。近年來(lái)，衍生出更加先進(jìn)的對(duì)稱全橋逆變電路結(jié)構(gòu)。通過在單元級(jí)聯(lián)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建N個(gè)不同的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上組成交流輸出電壓串聯(lián)模式，經(jīng)過疊加實(shí)現(xiàn)基于某一相的多電平功率變換電路輸出效果[8]。級(jí)聯(lián)式電路拓?fù)淠軌蚪M合電路中較低的電平輸出，增加電路輸出電平數(shù)量，進(jìn)一步降低了諧波含量。
2.5 混合多級(jí)式
混合多級(jí)式逆變電路的開關(guān)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)型晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）[9]。通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），可以有效控制IGBT單元，降低整個(gè)電路中的開關(guān)損耗，減少其諧波分量。
在具體應(yīng)用過程中，混合多級(jí)式逆變電路具有一個(gè)較為突出的優(yōu)勢(shì)，即各個(gè)混合功率單元中不同單元的預(yù)設(shè)電壓不同，使得小單元可以分開控制不同功率的器件，協(xié)調(diào)電路運(yùn)行情況，控制其開關(guān)過程[10]。基于此，只要在電路中使用一個(gè)功率單元，就相當(dāng)于可以分別高效控制其中的多個(gè)功率器件，輸出理想電平正弦波。在功率器件數(shù)量相同的情況下，可以產(chǎn)生更大的輸出電平。為了產(chǎn)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(gè)數(shù)。
3 多電平變換逆變電路拓?fù)涞陌l(fā)展
隨著多電平變換逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的持續(xù)發(fā)展，可以適時(shí)應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。具體來(lái)看，多電平變換器會(huì)隨著電平數(shù)的增加而發(fā)生變化，開關(guān)管的數(shù)量和能耗也會(huì)增加。通過應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，可以有效改善變換器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行效率，持續(xù)降低各項(xiàng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)，探尋全新的基本單元結(jié)構(gòu)，進(jìn)而開發(fā)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由級(jí)聯(lián)式基本單元構(gòu)成，通過增加或替換更多基本單元有效構(gòu)建新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體變得更加快捷、簡(jiǎn)單。由于基本單元內(nèi)容形式存在區(qū)別，其控制特征與輸出特點(diǎn)也存在較大不同，具體應(yīng)用時(shí)要依照實(shí)際設(shè)計(jì)需求搭設(shè)合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升結(jié)構(gòu)應(yīng)用的針對(duì)性和持續(xù)性。
4 結(jié) 論
針對(duì)新型多電平變換電路的研究，需要重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)更多電平數(shù)和輸出更理想的正弦波形的途徑，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的長(zhǎng)久發(fā)展。
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(shù)的不斷發(fā)展和成熟，交流變頻技術(shù)及其相關(guān)裝置應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，取得了較好的應(yīng)用效果。變頻技術(shù)應(yīng)用過程容易受到電磁的干擾，其在重大裝備、高新技術(shù)產(chǎn)品等領(lǐng)域的應(yīng)用需要相應(yīng)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(diǎn)研究?jī)?nèi)容，通過一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供多電平輸出逆變電路，并在科學(xué)的控制邏輯下得到相應(yīng)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?fù)溲芯勘尘?/h2>
傳統(tǒng)逆變器自身的電流變化率較高，容易引起較為嚴(yán)重的電磁污染問題。為了解決這一問題，相關(guān)研究利用多電平變換波形重組技術(shù)，盡可能使得電平變換正向波形趨于理想化狀態(tài)，降低輸出波形中諧波的影響。一方面，在開通大功率器件時(shí)，可以利用輔助元件上的鉗位，保持電路的輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)固定值狀態(tài)下；另一方面，在切斷功率器件時(shí)，可以利用鉗位作用，控制器件兩端通過和接收的電流在規(guī)定范圍內(nèi)。如此一來(lái)，不僅能對(duì)回路中的輸出電平高低做好預(yù)先設(shè)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(fā)生。在穩(wěn)定的雙電平鉗位系統(tǒng)影響下，根據(jù)適當(dāng)?shù)耐負(fù)錁?gòu)造形成各種不同的輸入與輸出波形，以滿足各種應(yīng)用要求[1]。多電平電路拓?fù)渲饕褂脽o(wú)源器件，如二極管或電容鉗位的多電平電路拓?fù)浜褪褂锚?dú)立直流電源鉗位的多電平電路拓?fù)?。在多電平電路運(yùn)行過程中，除了需要考慮電平鉗位的問題，還需要兼顧開關(guān)控制邏輯、電路單元?jiǎng)屿o均壓等問題。
2 多電平變換逆變電路拓?fù)?/h2>
根據(jù)相應(yīng)的拓?fù)湟?guī)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(yīng)的電平逆變電路。多電平逆變電路在不斷發(fā)展的過程中，逐漸衍生出多種不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中常見的包括二極管箝位式、電容懸浮式、飛跨電容型、級(jí)聯(lián)型以及混合多級(jí)式。
2.1 二極管箝位式
在多個(gè)不同二極管的共同作用下，完成對(duì)相關(guān)電路元件的箝位處理，解決電器設(shè)備在實(shí)際使用過程中產(chǎn)生的均壓?jiǎn)栴}。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用中的二極管箝位逆變拓?fù)涠?，可以將其設(shè)定為n個(gè)不同的電平，對(duì)應(yīng)每一個(gè)橋臂實(shí)際所需的直流分電容數(shù)量為n+1，二極管的數(shù)量為(n+1)(n+2)個(gè)，開關(guān)元器件數(shù)量為2(n-1)個(gè)。集成電路基本單元經(jīng)過2 次以上的串聯(lián)處理，各個(gè)模塊的調(diào)節(jié)邏輯相互獨(dú)立，可以有效避免因中間鉗位逆變回路電平數(shù)增多造成開關(guān)邏輯逐漸復(fù)雜[2]。
在二極管箝位式模式下，傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)逆變器中若出現(xiàn)3 個(gè)以上的電平，則需要增加相同標(biāo)稱值的二極管，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電平電壓的超量處理。實(shí)際應(yīng)用中二極管箝位式的電路將會(huì)產(chǎn)生差異性的電平，這一現(xiàn)象是開關(guān)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(lián)可以有效地將本身頻率不高、耐壓性較差的小功率器件應(yīng)用到高壓大功率的集成電路環(huán)境下，在實(shí)際應(yīng)用過程中完成電壓、電流的輸出后，將會(huì)在一定程度上降低諧波畸變率[3]。串聯(lián)電路單元模塊化有利于后續(xù)的使用和安裝，解決了以往在串聯(lián)功率器件時(shí)產(chǎn)生的均壓?jiǎn)栴}。
2.2 電容懸浮式
電容懸浮式電路拓?fù)湓诙O管箝位基礎(chǔ)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(cè)電壓參數(shù)值始終處于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)數(shù)量的電平逆變將會(huì)形成對(duì)應(yīng)數(shù)量的電平相電壓。
基于電容懸浮式模式替代了傳統(tǒng)的二極管箝位之后，逆變器在使用中呈現(xiàn)出了更加明顯的優(yōu)勢(shì)特征，能夠?qū)崿F(xiàn)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(shí)滿足了對(duì)有功功率流量和無(wú)功功率流量的自動(dòng)控制，確保在更為危險(xiǎn)的高壓直流電中也能實(shí)現(xiàn)正常應(yīng)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(yùn)行過程中開關(guān)損耗較大。
2.3 飛跨電容型
飛跨電容型電路拓?fù)湎拢粌H能夠有效獲取參數(shù)一致的輸出電壓，還能實(shí)現(xiàn)電路中的差異性開關(guān)組合狀態(tài)?；诳蛇x擇的開關(guān)組合，可以實(shí)現(xiàn)更加機(jī)動(dòng)靈活的平衡電容與電壓[5]。飛跨電容電路的眾多點(diǎn)位分布情況如圖1 所示，其中對(duì)應(yīng)電平下的飛跨電容電路能夠?yàn)槊恳粯虮燮骄峙?(n-1)開關(guān)器件，直流分壓電容的實(shí)際數(shù)量為(n-1)個(gè)，飛跨電容的數(shù)量為(n-1)(n-2)/2 個(gè)。
圖1 飛跨電容多電平三相逆變電路元件分布
2.4 級(jí)聯(lián)式
級(jí)聯(lián)式電平逆變電路建立在串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式上，形成了眾多一致的H橋臂，便于進(jìn)行大范圍統(tǒng)一生產(chǎn)，如圖2 所示。該模式下的逆變電路充分展現(xiàn)出線電壓冗余特征，通過完全解耦隔離直流電源來(lái)保持充足的電源容量，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)均衡，無(wú)須電路對(duì)電容、電壓實(shí)施平衡處理[6]。
圖2 級(jí)聯(lián)式電平逆變電路示意
在級(jí)聯(lián)式的多電平逆變電路應(yīng)用下，呈現(xiàn)出冗余相電壓的現(xiàn)象，即使在輸出電壓后仍舊能保持單元級(jí)聯(lián)的狀態(tài)。后續(xù)電路運(yùn)行中也可實(shí)現(xiàn)相互獨(dú)立的運(yùn)行單元，避免對(duì)其他級(jí)聯(lián)單元造成影響。
通過串聯(lián)全橋逆變電路，創(chuàng)建獨(dú)立的功率模塊，構(gòu)建級(jí)聯(lián)式多電平逆變器，并將其廣泛應(yīng)用于交流柔性供電、高壓大功率調(diào)速等場(chǎng)合[7]。在全橋逆變電路功率單元的基礎(chǔ)上，通過2 個(gè)電平H 橋單元級(jí)聯(lián)形成逆變器拓?fù)鋯伪垭娐方Y(jié)構(gòu)。近年來(lái)，衍生出更加先進(jìn)的對(duì)稱全橋逆變電路結(jié)構(gòu)。通過在單元級(jí)聯(lián)的基礎(chǔ)上創(chuàng)建N個(gè)不同的結(jié)構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上組成交流輸出電壓串聯(lián)模式，經(jīng)過疊加實(shí)現(xiàn)基于某一相的多電平功率變換電路輸出效果[8]。級(jí)聯(lián)式電路拓?fù)淠軌蚪M合電路中較低的電平輸出，增加電路輸出電平數(shù)量，進(jìn)一步降低了諧波含量。
2.5 混合多級(jí)式
混合多級(jí)式逆變電路的開關(guān)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(jié)構(gòu)，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(qiáng)型晶體管（Injection Enhanced Gate Transistor，IEGT）[9]。通過調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM），可以有效控制IGBT單元，降低整個(gè)電路中的開關(guān)損耗，減少其諧波分量。
在具體應(yīng)用過程中，混合多級(jí)式逆變電路具有一個(gè)較為突出的優(yōu)勢(shì)，即各個(gè)混合功率單元中不同單元的預(yù)設(shè)電壓不同，使得小單元可以分開控制不同功率的器件，協(xié)調(diào)電路運(yùn)行情況，控制其開關(guān)過程[10]。基于此，只要在電路中使用一個(gè)功率單元，就相當(dāng)于可以分別高效控制其中的多個(gè)功率器件，輸出理想電平正弦波。在功率器件數(shù)量相同的情況下，可以產(chǎn)生更大的輸出電平。為了產(chǎn)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(gè)數(shù)。
3 多電平變換逆變電路拓?fù)涞陌l(fā)展
隨著多電平變換逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的持續(xù)發(fā)展，可以適時(shí)應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)。具體來(lái)看，多電平變換器會(huì)隨著電平數(shù)的增加而發(fā)生變化，開關(guān)管的數(shù)量和能耗也會(huì)增加。通過應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)，可以有效改善變換器內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行效率，持續(xù)降低各項(xiàng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的內(nèi)在本質(zhì)，探尋全新的基本單元結(jié)構(gòu)，進(jìn)而開發(fā)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前，大多數(shù)多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由級(jí)聯(lián)式基本單元構(gòu)成，通過增加或替換更多基本單元有效構(gòu)建新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，整體變得更加快捷、簡(jiǎn)單。由于基本單元內(nèi)容形式存在區(qū)別，其控制特征與輸出特點(diǎn)也存在較大不同，具體應(yīng)用時(shí)要依照實(shí)際設(shè)計(jì)需求搭設(shè)合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提升結(jié)構(gòu)應(yīng)用的針對(duì)性和持續(xù)性。
4 結(jié) 論
針對(duì)新型多電平變換電路的研究，需要重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)更多電平數(shù)和輸出更理想的正弦波形的途徑，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)，促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的長(zhǎng)久發(fā)展。
