三电平变频器的派生方案分析

三电平的概念可扩展到更多电平，形成多电平方案。电平数越多，输出波形会越好。电动机和电网电压越高，要求每一相串联功率器件的个数越多，箝位二极管及直流侧分压电容器的个数也随之增多，当然控制的复杂性也相应地增加了。图6-21所示即为采用二极管箝位结构的七电平变频器，直流侧由六个电容串联构成，每个电容上的电压为1/6电源电压，通过开关器件的不同组合使输出电压产生不同的电平。其原理与三电平变频器大同小异，输出电压的阶数更多、波形更好，在相同器件耐压下，可输出更高的交流电压，适合做成更高电压等级的变频器。

除了采用二极管箝位式的三电平或多电平变频器外，还有采用电容飞跨箝位式的多电平变频器，飞跨电容型多电平逆变器是1992年由T.A.Meynard等人提出来的，其拓扑结构如图6-22所示，从图中看出，飞跨电容型多电平逆变器的主电路只是用飞跨电容取代箝位二极管，因此其工作原理与二极管箝位电路相似，这种拓扑结构虽然舍去了大量的箝位二极管，但又引入了许多电容。对高压系统而言，电容体积大、成本高、安装难。不过在电压合成方面，由于电容的引入，开关状态的选择更加灵活，使电压合成的选择增多，通过在同一电平上不同开关状态的组合，可使电容电压保持均衡。由此可知，飞跨电容型多电平逆变器的电平合成自由度和灵活性高于二极管箝位型多电平逆变器，其优点是开关方式灵活、对功率器件的保护能力较强，既能控制有功功率，又能控制无功功率，适合高压直流输电系统等。但其控制方法非常复杂，主要缺点体现在：第一，需要大量箝位电容。一个N电平的飞跨电容型逆变器，每相桥臂需（N-1）×（N-2）/2个箝位电容，直流侧需（N-1）个分压电容。第二，大量电容的使用不仅使系统的成本增高，也使产品的组装困难。第三，控制方法复杂，实现困难，且存在电容电压不平衡的问题。第四，飞跨电容型逆变器和二极管箝位型逆变器一样，也存在着开关器件的导通负荷不一致的问题。

图6-21 二极管箝位式七电平变频器(www.xing528.com)

其功率器件不是简单的串联，而是通过电容箝位，实现结构上的串联，同时保证了电压的安全分配。这种结构没有传统结构中的各级功率器件上的众多分压分流装置，消除了系统可靠性低的因素，从而使系统结构简单、可靠，易于维护。

图6-23是二极管/电容混合箝位型多电平拓扑结构的单相电路，可以比较好地解决单纯的二极管箝位型多电平电路的内测开关的耐压问题及直流侧电容的电压平衡问题。