三电平PWM电压源型变频器

    中（高）压变频器一般要求额定输出电压为2. 3kV、3. 3kV、4.16kV、6kV和10kV，如果按两电平变频器设计，其PWM最大脉宽调制系数M=1.114，如图8-9所示。    在两电平方案中，每相功率开关器件桥臂的输出电位相对于直流中性点而言只有两种可能，如图8-10所示。每一功率开关器件在开关过程中所承受的电压等于变频器的直流母线电压Vdc，因此如果两电平变频器的输出电压为2. 3kV，则直流母线电压Vdc=3400V，所以功率开关器件IGBT或IGCT要选择6500V的耐压等级。众所周知，现在功率开关器件IGBT或IGCT的最高耐压等级为6500V，这也就意味着，基于两电平方案，其最高输出电压为2. 3kV，如果想要实现更高的电压输出，必须采用多电平拓扑结构的变频器。
    图8-9    两电平变频器设计方案
    图8-10    两电平方案每相桥臂输出电位示意图    当然将器件串、并联使用，是满足提高输出电压容量的一个简单直观的办法，其拓扑结构如图8-11所示，图中系统由电网高压直接经高压断路器进入变频器，经过高压二极管全桥整流、直流平波电抗器和电容滤波，再通过逆变器进行逆变，加上正弦波滤波器，简单易行地实现高压变频输出，直接供给高压电动机。串、并联在一起的各个器件，被当作单个器件使用，其控制也是完全相同的。这种结构的优点是可利用较为成熟的低压变频器的电路拓扑、控制策略和控制方法，不需要输入输出变压器，输出效率比较高的高压调速系统；其缺点是串联开关管需要动态均压和静态均压。因为串联器件开、关时间不一致，最后开通或最先关断的器件将承受全部电源电压，这就必然影响到它的可靠运行，所以电力电子器件串联运行时应有相应的均压措施，可是均压电路使系统复杂化、损耗增加、效率下降。为使串联器件同时导通和关断，对驱动、控制电路的要求也大大提高。还需要解决du/dt，抗共模电压技术等问题。    图8-11    将器件串、并联使用以提高输出电压容量的拓扑结构    为了解决器件直接串联时所需要的均压问题，逐渐发展出以器件串、并联为基础，各器件分别控制的变流器结构，在这方面，日本学者A. Nabae于1983年提出的中点钳位型PWM逆变电路结构具有开创性的意义。它的出现为中高压变频器的研制开辟了一条全新的思路。在此基础上，经过多年的研究开发出4种主要的拓扑结构：①二极管钳位式；②飞跨电容式；③带分离直流电源的级联式；④改进的级联型多电平变换器。    这几种电路结构和传统的两电平逆变器相比，都具有以下优点：    ·更适合于中高压变频装置高电压、大容量的特点；    ·可产生多层阶梯形输出电压，理论上可通过增加级数而接近纯正弦波形，减少谐波；    ·每一次开关动作所产生的du/dt大大减小，从而使电磁干扰(EMI)问题大大减轻；    ·消除同样谐波，所需的开关次数大大减少，从而大大减小开关损耗，提高变换系统的效率。