多电平变换器拓扑结构和控制方法研究

这种结构与以上所述的二极管箝位式和电容箝位式结构比较有以下优点：

1）实现了电容电压的自动箝位，不需要复杂的电容电压平衡控制算法；

2）将此结构的输出端和输入端交换，可以用相同电路实现功率的双向流动，所以，这种结构应用范围广泛，可以实现 DC/DC， DC/AC， AC/DC的功率转换。

该结构的缺点：

1）当电平增加时，所需要的电容和功率开关数目都会增加许多，使得系统的成本和体积增大；

2）由于使用了大量的功率开关和箝位电容，使得电路在工作时的开关损耗增大；

3）随着电路级数的增加，由于功率开关的通态压降引起的每级电压降落将越来越明显。

2.2 具有独立直流电源的级联式多电平逆变器

以上使用无源元器件箝位的多电平逆变器拓扑都是采用半桥结构，下面分析的功率单元串级逆变电路^[5]和混合单元的串级逆变电路，其基本单元都是基于全桥结构的。级联式多电平逆变器拓扑结构是将进行了相对位移的复合H桥逆变器模型串联起来，通过合成输出多电平电压波形。

2.2.1 功率单元串联逆变电路

以基本单元为基础，根据系统对输出电压、电平数的要求可决定串联的单元数。每相串联的单元数为M，则输出相电压波形所含电平数为2M＋1，输出线电压波形所含电平数为4M＋1。图5是Y型连接的三相七电平串级电路结构。

图 5 Y型 连 接 的 三 相 7电 平 串 级 逆 变 器 电 路

Fig.5 Connected shape three phases seven levels cascade converter

相对于传统中点箝位逆变电路，串级逆变电路有下列优点：

1）直流侧采用相互分离的直流电源，不存在电压均衡问题；

2）结构简单清晰，控制方法相对简单，可分别对每一级进行PWM控制；

3）H桥单元结构，为模块化设计、制造带来方便，另外，当H桥出现故障，可将其旁路，余下的单元可以继续工作。

这种结构的缺点在于：每个单元需要一个独立的直流电源。随着电平数的增加，串级电路单元使用的直流电源数也将大量增加。

2.2.2 混合单元串联逆变电路

通常，开关速度快的器件（例如MOSFET、IGBT）的电压容量比较低，而高电压容量的器件（例如GTO、IGCT、IEGT）的开关频率又较低。为了用更少的单元得到更多的电平，基于“混合功率单元[6]”的串级逆变电路得到了发展。这种结构是传统功率单元串联逆变电路的推广。

文献[7]提出了对2个独立单元的直流箝位电源采用电压比为1：2，一个单元使用IGBT，另一个单元使用IGCT的混合串级逆变电路，IGCT单元上的电压2倍于IGBT单元，如图6所示。在控制上，以基波开关IGCT，以PWM方式调制IGBT。比起功率单元串级电路，这种混合单元的串级电路有一个优点：由于2个单元预先给定的电压不同，IGBT单元和IGCT单元可以通过控制各自功率器件的开断来相互协调，从而实现单相7电平的输出。这种结构达到了用更少的单元得到更多电平的目的。

图 6 IGBT和 IGCT组 成 的 混 合 单 元

Fig.6 Hybrid cell with IGBT and IGCT