构建基于模块间直流侧电压比例关系的组合变换器拓扑结构

模块间直流侧电压的比例关系作为多电平组合拓扑结构一般形式的自由度，可分为两种：①相邻模块间直流侧电压比例关系为1，如图4-3所示介绍的几种组合拓扑结构；②相邻模块间直流侧电压比例关系成等比变化。改变直流侧电压比例关系的目的就是获得输出电平的最大化，消除冗余的电平组合状态。这种自由度最直接的应用就是改变级联型中H桥的直流母线电压，在不增加直流电压源个数的情况下，以获得更多的电平输出，如图4-4a所示。若在图4-3所示的组合拓扑结构中，加入模块间直流侧电压的比例关系这一可选择的自由度，便可产生多种新型的组合拓扑结构。以图4-3a、c为例，其拓扑结构分别变换为如图4-4b、c所示拓扑。

在图4-4a中，U_dc2∶U_dc1=2∶1。对两单元H桥串联的多电平变换器而言，如果选定直流侧电压比为E∶E，即直流侧电源电压相等时（也称为1^m结构，m为串联单元个数），输出电压有5种电平状态2E，E，0，-E，-2E；如果选择电压比为E∶2E，即比例关系为1∶2时（称为2^m结构），输出电压中就有如下7种电平状态：3E，2E，E，0，-E，-2E，-3E；相应地对于3^m结构的多电平变换器，输出电压电平数增加到9种（m为2的情况下）。当独立直流电源的电压值相等时，m个单元串联变换器的输出电压为2m+1；若将各独立的直流电源的电压值取为2^m结构时，则其输出的电平数增加到2^m+1-1；相应地对于3^m结构的级联变换器，电平数可增加到3^m。电平数越多输出电压波形与正弦波越接近，相应地谐波含量就越少。但这种阶状结构的变换器并不是无限度地增加下去的，对于4^m以上的结构就不能拓展了，原因在于4^m以上阶数的级联结构不能产生中间电平，例如+2E/-2E电平就不能产生，从而使输出电平发生跳跃。电平增加的根本原因是各个基本单元的直流侧电压比例关系不同，在相同数量的开关器件下通过采用相应的调制策略，就可得到较多电平数；同时，随着直流侧电压比例关系的提高，相应的功率等级也得到了提高。对于任何一种多单元级联拓扑结构，电平输出最大原则是对于每一个输出电平，没有冗余开关组合。为了获得输出电平的最大化，在图4-1中，对于K个全桥单元串联，模块间直流电压之间的比例关系为

图4-3 自由度结合所构成的组合拓扑结构示意图

图4-4 单元间直流侧电压变化所构成的组合拓扑结构示意图

式中，U_dci、N_i分别为第i个全桥模块单元的直流侧电压、电平数，若满足式（4-1），便可获得最大电平数为^[158]

对于带有不相等直流电压的H桥串联，根据式（4-1），若N_i=3，N_i+1=3，相邻模块单元之间直流侧电压比例关系为

U_dc（i+1）=3U_dci （4-3）

便可获得输出电平的最大化。

对于传统的MMCI型变换器，为了获得电平数的最大输出，这种比例关系也可进一步推广，即有(www.xing528.com)

U_dcK∶…∶U_dci∶…∶U_dc2∶U_dc1=3^K-1∶…∶3^i-1∶…∶3∶1 （4-4）

基于式（4-1）、式（4-2），对于图4-3a、图4-3b所示的组合拓扑结构有：N_i=N_i+1=5，模块间直流侧电压比例关系满足U_dc（i+1）=5U_dci，便可获得最大电平输出（即25电平）。对于模块间电平数不相等的串联结构，N_i+1为电平数多的单元。对于图4-3c、图4-3d所示的组合拓扑结构有：N_i=3，N_i+1=5，模块间直流侧电压比例关系满足U_dc（i+1）=6U_dci，便可获得最大电平输出（即15电平）。各种组合拓扑在不同电压比下所能产生的最大电平数见表4-1。若基于自由度相互结合观点，可把全桥模块单元的类型、直流侧电压的比例关系这两种自由度结合起来，以两单元串联为例，可以构造出如图4-4b、图4-4c所示的新型组合拓扑结构。在图4-4b中有：U_dc2=5U_dc1；在图4-4c中有：U_dc2=6U_dc1。

表4-1 各种组合拓扑在不同电压比下所能产生的最大电平数

值得一提的是，H桥与DCMC单元或FCMC单元相结合的组合拓扑结构，电压比只有在为偶数的情况下才能输出连续的电平台阶，当电压比为奇数时输出电平台阶不连续，例如在电压比为1∶3时，最大电平数应为9，但实际上这种电压比应用在该拓扑结构中，最大电平数为15，多了±5E/2，±3E/2以及±E/2的电平，其电平组合列于表4-2中，在-4E到4E的输出中，由于多加的这三组电平的输出，造成了电平输出台阶的跳跃如图4-5所示，这种跳跃在实际中是不允许的，因而H桥与DCMC（或FCMC）奇数电压比的组合拓扑结构在实际应用中受到了限制。

表4-2 （1∶3）H+DCMC拓扑结构电压合成表

图4-5 电压比为1∶3H+DCMC组合变换器输出波形图

根据表4-1所提供的电压比例与输出电平数的对应关系，结合模块单元类型、模块单元电平数、直流侧电压的比例关系以及开关器件的选取等可供选择的自由度，可根据实际需要灵活选择，从而可构建大量的新型拓扑结构。例如，结合具体的组合拓扑结构，若选择电压比为U_dcK∶…∶U_dci∶…∶U_dc2∶U_dc1=3∶…∶1∶…∶1∶1或U_dc1∶U_dc2∶…∶U_dcK=1∶2∶…∶2的组合拓扑结构，就可在一定的性能参数要求下，利用有限的成本，获得最好的性能价格比。