现代传感与技术第二章

1、第二章 以基本开关变换器为基础，通过对偶设计法、三端开关模型法、开关变换器级联法实现电力电子拓扑结构的设计1234基本内容第二章 2.1开关变换器拓扑概述Sepic输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量相对大。既可升压也可降压 Zeta输入输出极性相同，控制灵活。结构复杂，效率变低，且体积和重量大。既可升压也可降压半桥式结构简单，只要两个功率开关管。电压利用率低，功率开关管的电流应力较大。适合低电流输入的场合全桥式电压利用率高，功率开关管的电压应力和电流应力都较小。结构复杂，需要四个功率开关管，成本高。适用于大容量场合推挽式驱动不需隔离，变压器双端磁化，只要两个功率开关管

2、。变压器绕组利用率低，功率开关管耐压应力为输入电压的两倍，会出现偏磁。适合低压输入的场合二极管钳位式多电平桥不存在动态均压问题。输出波形质量有较大改善，输出电压的 也相对减小，动态响应好。 需要多个钳位二极管，存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合飞跨电容式多电平桥开关方式灵活，对功率器件保护能力有功功率又能控制无功功率较强，既能控制。需要多个钳位电容，也存在直流分压电容电压不平衡问题，增加了系统动态控制的难度。适合高压大功率场合矩阵式输入电流、输出电压、功率因数均可控，且能量能双向流动。功率器件数量多且结构复杂，控制难度大。适合能量可双向流动的高品质电能

3、转换2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元基本开关单元1.二端开关单元二端开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元 （1）单向开关单元）单向开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元 （2）准双向开关单元）准双向开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元 （3) 双向开关单元双向开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元2.三端开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元三端口开关单元对外有三个端：功率开关端口，称为有源端，用a表示；二极管端口，称为无源端，用p表示；功率开关管和二极管相连接的端口，称为公共端，用c表示。这

4、样是形成三端开关单元，如图2-5所示。注意：三端开关单元中的功率开关管和二极管的开关状态互补，即：当功率开关管导通时二极管关断，而二极管导通时功率开关管关断。2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元3.基本变换单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元2.1.2 开关变换器拓扑的基本开关单元2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则1 ：输入端只有两种正确的拓扑形式，即电压源和功率开关管串联或电流源和功率开关管并联2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则2 输出端只有两种正确的拓扑形式，即二极管和电压负载同向串联 或二极管和电流负载反向并联 2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规

5、则规则3 中间部分每一个支路只包含一个电压缓冲器（电容）或一个电流缓冲器（电感）2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则4 中间部分的每一个串联支路是一个电压缓冲器（电容），每一个并联支路是一个电流缓冲器（电感）2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则5 输入电压源不能通过开关直接与电压缓冲器或电压负载相连；输入电流源不能通过开关直接与电流缓冲器或电流负载相连2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则6 电压缓冲器不能通过二极管和电压负载相连电流缓冲器不能通过二极管和电流负载相连2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则7 中间部分所包含的缓冲器的数目不超过两个，且类型不同。2

6、.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则8 相邻两个电源（包括缓冲器和负载）类型不能相同2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则规则规则1 电压源和功率开关管串联；规则规则2 二极管和电流负载并联；规则规则3 中间部分每一个支路只包含一个电压缓冲器（电容）或一个电流缓冲器（电感）；规则规则4 中间部分每一个串联支路是一个电压缓冲器（电容），每一个并联支路是一个电流缓冲器（电感）；规则规则5 输入电压源不能通过开关直接与电压缓冲器相连；规则规则6 电压缓冲器不能通过串联一个二极管和电压负载相连； 规则规则7 中间部分所包含的缓冲器的数目不超过两个，且类型不同； 规则规则8 相邻两个电源（包括缓

7、冲器和负载）类型不能相同 ZETA变换器2.1.3基本开关变换器的拓扑组合规则2.2 开关变换器开拓扑的对偶法设计2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 1. 电路的几何描述电路拓扑2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 图论的几个基本概念：2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2. 电路的对偶原理和对偶条件 所谓对偶原理是指：电路中某些元素之间的“关系”（如方程、电路、定理、定律等）用它们的对偶元素对应地置换后得到的“新关系”（如新方程、新电路、新定理、新定律）也一定成立，则称“新关系”与 “原关系”对偶。 表

8、2-2列出了电路中常用的对偶关系表。 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 原电路对偶电路原电路对偶电路原电路对偶电路原电路对偶电路电荷磁链电压源电流源电感电容流控电压源CCVS压控电流源VCCS网孔节点电流电压阻抗导纳压控电压源VCVS流控电流源CCCS支路串联支路并联电阻电导支路开路支路短路开关S（由开到闭）开关S*(由闭到开)2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 3. 对偶有向几何方向的确定2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 9090902.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 4. 对偶电路的求解2.

9、2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.1 平面电路的对偶及其对偶规则 2.2.2 开关变换器的对偶设计 假设理想的二极管正向电压和反向电流均为零并且不吸收或产生任何瞬时功率，根据对偶原理，理想二极管的对偶元件的“正向”电流和“反向”电压均为零,同时也不吸收或产生任何瞬时功率值得注意的是，对偶元件的“正向”参考方向与元件参考方向相一致。很明显，具有这种特性的器件为另一种理想的二极管，与原理想二极管相比，只是极性方向相反。因此，当二极管导通时，它的对偶二极管必然是关断的，反之亦然。具体对偶图形及特性参见表2-3。 初始开关符号和名称对偶开关符号和名称+VT*-di*2.2.2 开关变换器的对

10、偶设计2.2.2 开关变换器的对偶设计由此可得出理想功率管的有向对偶规则：将含功率开关管的有向支路逆时针旋转 ，即可得到含对偶功率开关管的有向支路，从而可确定对偶功率管的极性902.2.2 开关变换器的对偶设计 （3）变压器的对偶规则）变压器的对偶规则 本节讨论的变压器分为理想变压器和全耦合变压器。所谓理想变压器是指：没有任何损耗，无穷大的励磁电感，没有漏感，且不能储能的变压器。所谓全耦合变压器是指：没有任何损耗，耦合系数为1，有限励磁电感且可以储能的变压器。以下分别讨论两种变压器的对偶变换。2.2.2 开关变换器的对偶设计 1）理想变压器及其对偶理想变压器及其对偶 由于理想变压器具有无穷大的

11、励磁电感，且没有漏感，这使得励磁电感支路的励磁电流为零，相当于开路。下图是一个利用理想变压器构成的电路，其理想变压器的变比是N:1。为了简化分析，假设初级绕组与次级绕组有一公共端2.2.2 开关变换器的对偶设计121S12UNUUUNII基本方程121s12INIIINUU对偶方程2.2.2 开关变换器的对偶设计2.2.2 开关变换器的对偶设计90902.2.2 开关变换器的对偶设计 2.2.2 开关变换器的对偶设计2.2.2 开关变换器的对偶设计变压器原电路对偶电路 理想变压器 变比N:1 变比1：N 全耦合变压器 N:1理想变压器 一次侧、二次侧并联电感分别为L1及L21:N理想变压器一次

12、侧、二次侧串联电容分别为C1及C22.2.2 开关变换器的对偶设计 2.2.2 开关变换器的对偶设计原电路对偶电路BUCK变换器BOOST变换器BUCK-BOOST变换器CUK变换器SEPIC变换器ZETA变换器 零电流谐振变换器零电压谐振变换器2.2.2 开关变换器的对偶设计 3. 复杂开关变换器的对偶设计 一般认为：不含有变压器的开关变换器所有元件数超过10个或含有变压器的开关变换器元件数超过8个的均可视为复杂开关变换器。显然，不含变压器的元件数不超过10或含有变压器的元件数不超过8的开关变换器可视为简单的开关变换器。一般而言：简单的开关变换器的对偶变换可根据上述常规的对偶变换步骤直接变换

13、，无需任何化简过程；而对于复杂开关变换器的对偶过程，需将复杂开关变换器的局部支路简化，从而减少元件的数量以达到减少有向几何图支路的目的。2.2.2 开关变换器的对偶设计 2.2.2 开关变换器的对偶设计 4 含有基本变换单元的开关变换器的对偶设计2.2.2 开关变换器的对偶设计 2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端开关”模型电路 2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路 2.3.3 PWM软开关变换器模型电路2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计2.3 开关变换器拓扑的三端开关模型法设计 三端开关模型法：以特定的三端开关模型为基础来讨论开关变换器的拓扑设计问题三端口开关单元对外有三个端

14、：功率开关端口，称为有源端，用a表示；二极管端口，称为无源端，用p表示；功率开关管和二极管相连接的端口，称为公共端，用c表示。2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端开关”模型电路若以“三端开关”为基础，并将电感用恒流源代替，而电容则用恒压源代替，就得到相应变换器的模型电路。“三端开关”的端口连接有一定的规律，即：有源端口（端口1）和无源端口（端口2）之间都接有电压源，而公共端（公共端）都接有电流源。三端开关模型电路 ：2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端开关”模型电路 利用三端开关模型法设计CUK变换器拓扑图2-29 a) CUK变换器模型电路2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端开关

15、”模型电路图2-29 b) CUK变换器电路2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端开关”模型电路 如果将三端开关模型中的电压源分成两个串联电压源，则可将三端开关模型中的端口3通过电流源分别与端口1、端口2或两个串联电压源之间的节点相连，就可分别得到BUCK、BOOST、BUCK-BOOST变换器的模型电路。若将三端模型中的电流源分成两并联的电流源并分别与端口1、端口2或两个串联电压源之间的节点相连，可得到CUK、SEPIC、ZETA变换器。以此类推，如果将三端开关模型中的电压源分成三个或多个电压源，通过电流源的分解和连接组合可得到更多的变换器模型电路。2.3.1基本DC-DC开关变换器“三端

16、开关”模型电路2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路三端开关模型的软开关变换电路 1准谐振软开关三端开关模型电路 传统的开关变换器在功率开关管开通和关断时都存在开关损耗为此，可以通过加上由电感、电容组成的准谐振网络来实现软开关。 一般而言，准谐振网络分为零电流准谐振网络和零电压准谐振网络。由于两者准谐振网络的对偶性，因此只需要讨论一种准谐振网络，而另一种准谐振网络则可以通过对偶原理相应地求出。图2-32 ZVS QRC三端开关模型电路a)b)a) ZVS QRC三端开关模型电路1 b) ZVS QRC三端开关模型电路22.3.2 三端开关模型的软开关变换电路三端开关模型的软开关变换电路 2

17、有源钳位软开关变换器模型电路图2-37a) AC ZVS三端开关模型电路图2-37b) AC ZCS三端开关模型电路2.3.2 三端开关模型的软开关变换电路三端开关模型的软开关变换电路2.3.3 PWM软开关变换器模型电路软开关变换器模型电路 在准谐振三端开关模型电路基础上引入一个能控制谐振电感电流和谐振电容电压的环节即可实现PWM软开关控制来引入定频的PWM软开关控制模式图2-39a) ZVS PWM三端开关模型电路图2-39b) ZCS PWM三端开关模型电路2.4 开关变换器的拓扑叠加设计 2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则 2.4.2 基本开关变换器的级联叠加设计举例 2.4

18、.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 2.4.4 DC-AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则n 开关变换器级联叠加是开关变换器拓扑变换的常用方法。通常当需要实现多重功能的开关变换器时，就可以将相应功能的开关变换器通过级联方式叠加起来从而实现多重功能的开关变换器。n 任一基本开关变换器还包括输入和输出部分（如输入电源和输出负载），所以在基本DC-DC开关变换器的级联叠加时不只是简单的组合，同时还需要遵循以下基本叠加规则： 1. 两个或多个基本开关变换器叠加时，所有的基本开关变换器的基本变换单元都需要保留，不可简化或删除；2. 第一

19、级基本开关变换器的输入部分全部保留（包括输入电源和输入滤波电容或电感）;3.最后一级的基本开关变换器的输出部分全部保留（包括输出负载和输 出滤波电容或电感）;4. 除第一级输入和最后一级输出以外的输入输出部分需要保持原有的输入输出性质（电压型，电流型）。2.4.1 基本开关变换器级联叠加的基本规则2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例 BUCK-BOOST和BOOST变换器的叠加设计a) BUCK-BOOST变换器电路 b) BOOST变换器电路图中的虚线框分别表示各自的基本变换单元。根据基本开关变换器叠加规则可将两者叠加，其叠加设计步骤如下： 1）直接将BOOST变换器的输出和BUCK-

20、BOOST变换器输入连接起来，如图c所示。2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例 2）根据叠加规则1，这两个变换器的基本变换单元（虚线框）都需要保留。3）根据叠加规则2，保留BOOST变换器的输入部分。4）根据叠加规则3，保留BUCKBOOST变换器的输出部分。5）根据叠加规则4，由于BUCK-BOOST变换器是电压型输出，BOOST变换器是电流型输入，因而将BUCK-BOOST变换器的输出滤波电容C和BOOST变换器的输入滤波电感L保留；删除BUCK-BOOST变换器的负载；删除BOOST变换器的输入电源2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例 6）根据DC-DC开关变换器叠加规则5，

21、BUCK-BOOST变换器的输出负载的电压极性是下正上负，而BOOST变换器的输入电压源的电压极性是上正下负，这就需使BOOST变换器的基本变换单元要翻转180，如图e所示。e) BOOST变换单元旋转2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例7）为了使变换器的输入和输出“共地”，需把BOOST变换器中的二极管调到上端。f) 优化电路2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例 采用上述级联叠加规则，理论上可得到各种复杂的DC-DC开关变换器，但可能存在冗余的器件。 下面讨论开关变换器级连叠加时功率开关单元简化规则及其应用2.4.2基本开关变换器的级联叠加设计举例n功率开关单元的等效规则为了使级

22、联的开关变换器结构紧凑、体积减小、并简化驱动电路和提高可靠性，可以考虑将两个开关变换器单元中的功率开关进行等效合并，以进一步简化拓扑结构 。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 S1是属于CU1单元的功率开关，S2是属于CU2单元的功率开关，S1、S2是同步工作的（即同时开通、同时关断），并且假设S1、S2有一个共公的节点。下图是两个基本开关变换器级联叠加后两个功率开关管部分的等效电路。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 1）S-S型等效规则 a) 两个功率开关管S-S型结构 b) S-S型等效结构V12是V1 、V2合并后的功率开关管

23、，VD1、VD2为钳位隔离二极管。当V12关断时，VD1、VD2截止，从而使电压U1、U2隔离；当V12导通时，U1=U2=0。显然，图b与图a电路是等效的，而图b只需一个功率开关管，从而使DC-DC开关变换器电路得以简化。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 2）D-DD-D型等效规则型等效规则 a)两个功率开关管D-D型结构 b) D-D型等效结构同样可以把这两个同步的功率开关管等效为一个功率开关管，并利用两个二极管VD1、VD2进行钳位隔离，如图b所示。当V12关断时，VD1、VD2截止，从而使电压U1、U2隔离；当V12导通时，U1=U2=0，显然，图b与a

24、电路是等效的。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化3 3）D-SD-S型等效规则型等效规则 a) 两个功率开关管D-S型结构 b) D-S型等效结构图a中，当V1、V2导通时，其输入、输出回路导通；当V1、V2关断时，其输入、输出回路断开。图b中，当V12导通时，VD1、VD2导通，其输入、输出回路导通；当V12关断时，VD1、VD2截止，其输入、输出回路断开。显然，图b与图a等效，而图b中的二极管VD1、VD2起着隔离输入、输出电流的作用。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 4 4）S-DS-D型等效规则型等效规则a) 两个功率开关管

25、S-D型结构 b) S-D型等效结构与D-S型结构的工作原理类似，只是它的电流方向相反，两功率开关管合并后的等效电路如图b所示。当V12关断时，VD1、VD2截止，其输入、输出回路断开；当V12导通时，VD1、VD2导通，其输入、输出回路导通。可见，图b与图a所示电路等效，而图b中的二极管VD1、VD2仍然起隔离输入、输出电流的作用。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 从以上四种变换器功率开关管级联类型合并后的等效模型中，可以发现：合并后省去一个功率开关管，却增加了两个二极管，但是在具体的DC-DC开关变换器电路中，二极管一般可得到进一步省略。2.4.3 DC-D

26、C开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 如果U1U2, 则VD1一直正偏而导通， 所以VD1不起作用，从而可以省略；另一个方面，如果U1U2,则VD2一直正偏而导通， 因此VD2可以省略；但如果U1U2, 则VD1 和VD2都不起作用，因而都可以省略。S-S型等效结构：2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 下面下面利用叠加法设计一个利用叠加法设计一个BUCK-BOOSTBUCK-BOOST变换器并进行功率开关单元的变换器并进行功率开关单元的化简化简2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化1）根据拓扑叠加法设计的基本规则对两者进行叠加：1

27、 直接将BUCK变换器的输出和BOOST变换器的输入连接起来，如图c所示。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 2根据叠加规则1，这两个变换器的基本变换单元都需要保留。3根据叠加规则2，保留BUCK变换器的输入部分。根据叠加规则3，保留BOOST变换器的输出部分。4根据叠加规则4，由于BUCK变换器是电流型输出，BOOST变换器是电流型输入，因而将BUCK变换器的输出滤波电感和BOOST变换器的输入滤波电感合二为一；删除BUCK变换器的负载R；删除BOOST变换器的输入电源。5根据叠加规则5，BUCK变换器的输出负载的电压的极性是上正下负，而BOOST变换器的输入电

28、压源的电压极性也是上正下负，因而二者它们是相互匹配的。6对所得的电路进行适当分析不难确定叠加后的电路正确、合理。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 2）根据DC-DC开关变换器级联叠加时开关单元的拓扑简化规则对叠加后的变换器进行简化: 将图d所示的功率开关管V1移到下端，如图e所示。其目的是在不影响电路的工作的条件下，使得两个功率开关管具有一个公共端。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 图e所示的两个功率开关管组成D-S型结构，利用D-S型等效规则，将两个功率开关管用等效电路代替，如图f所示。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时

29、的功率开关单元拓扑简化 对图f所示的电路进行分析和简化：在图f所示电路当中，若功率开关管关断时，由于通过功率开关管V1和V2的电流是相同的，所以二极管VD2、VD3都可以省略。简化后的电路如图g所示。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 3）对简化后的电路进行分析、整理 对图g所示的电路进行分析：当功率开关管V导通时，电感L储能；当功率开关管V关断，电感L释放能量给负载。g所示的电路中的两个二极管VD1、VD2始终是串联的，可将其等效为一个二极管VD，再将电路重新布局，得到图h所示的电路。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 为使功率开关

30、管与电压源的正极相连。对图i所示电路进行整理再将电压源和功率开关管调换下位置，即得到如图i所示电路。2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化 为了使输入端和输出端共地，将图j所示的二极管上移，得到简化的最终电路，如图k所示。结论：通过基本开关变换器的级联叠加和化简即可获得所需的开关变换器电路2.4.3 DC-DC开关变换器级联叠加时的功率开关单元拓扑简化2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 n DC/ACDC/AC基本单元的串并联拓扑叠加设计基本单元的串并联拓扑叠加设计 n DC/AC开关变换器的基本单元是一个取消电容中

31、点输出的DC/AC开关变换器的半桥拓扑，如图2-52。 图2-52开关变换器半桥基本单元 通过串联和并联两种方式对基本单元进行叠加：DC/AC开关变换器半桥基本单元的并联DC/AC开关变换器半桥基本单元的串联2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 若将半桥基本单元串联输出再并联叠加一个半桥基本单元，则能构成一个三电平DC/AC 开关变换器桥臂拓扑，如图2-55所示图2-55 二电平DC/AC开关变换器半桥基本单元的串并联 三电平DC/AC开关变换器桥臂2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 如何采用

32、半桥基本单元的叠加获得任意电平输出的DC/AC开关变换器桥臂拓扑呢？在三电平半桥开关变换器桥臂拓扑的基础上，再并联叠加一组三个半桥基本单元的串联支路后就可以形成四电平DC/AC开关变换器拓扑2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 图2-57 基于二极管钳位式三电平基本单元叠加的多电平拓扑结构2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 图2-58 基于电容钳位式三电平基本单元叠加的多电平拓扑结构2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 问题：随着电平数的增多，

33、器件呈指数上升，系统非常复杂所以超过五电平以后，这样的“塔形”拓扑结构工程设计时一般不予考虑。2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 n 全桥基本单元的级联拓扑叠加设计全桥基本单元的级联拓扑叠加设计 采用若干个低压DC/AC开关变换器全桥基本单元直接级连的方式以实现高压多电平输出。 图2-59 基于全桥基本单元叠加的级连型多电平拓扑结构2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 此拓扑结构采用了多个全桥基本单元，并互相级联而组成，因此称之为级连多电平DC/AC变换器。该结构在级连数足够时，输出谐波含量小

34、，工程上称之为完美无谐波变换器2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 l优点：这种级连多电平DC/AC变换器避免了大量的钳位二极管和电压平衡电容，在得到相同电平数的前提下，所需功率开关管相对较少；级联型多电平拓扑结构电路中的功率开关管一般在基频下开通、关断，因此损耗小、效率高，易采用软开关技术，并且不存在电容电压平衡问题。l缺点：它需要多个独立的直流电源，且不易实现四象限运行。总之，这种结构容易实现多电平，一般在总之，这种结构容易实现多电平，一般在7 7电平、电平、9 9电平甚至电平甚至1111电平都电平都有广泛应用。尤其是该级联拓扑已成为大容量

35、有广泛应用。尤其是该级联拓扑已成为大容量SVGSVG装置的最典型主电路装置的最典型主电路拓扑之一。拓扑之一。 2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 n 混合型混合型DC/AC开关变换器拓扑叠加设计开关变换器拓扑叠加设计 不同基本单元结构的多电平DC/AC变换器都各有其优缺点，那么是否可以采用“取长补短”的方法，并利用不同的基本单元结构进行叠加，以获得较好性能的DC/AC变换器拓扑呢？理论上显然是可行的，并称这种拓扑叠加方案为混合型拓扑叠加设计。 2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 (1) 二极

36、管钳位式三电平基本单元二极管钳位式三电平基本单元+电容钳位式三电平基本单元电容钳位式三电平基本单元 图图2-60 二极管钳位式三电平基本单元二极管钳位式三电平基本单元+电容钳位式三电平基本单元电容钳位式三电平基本单元将二极管钳位式三电平基本单元和电容钳位式三电平基本单元并联，即构成将二极管钳位式三电平基本单元和电容钳位式三电平基本单元并联，即构成混合混合1 1型电路拓扑，如图型电路拓扑，如图2-602-60所示。这种电路拓扑性能上包含着二极管钳位式所示。这种电路拓扑性能上包含着二极管钳位式和飞跨电容式三电平的特点，它既和飞跨电容式三电平的特点，它既 避免了动态均压问题也使开关方式灵活，避免了动

37、态均压问题也使开关方式灵活，对功率器件保护能力较强，既能控制有功功率又能控制无功功率。对功率器件保护能力较强，既能控制有功功率又能控制无功功率。2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 (2)混合混合2型型二极管钳位式三电平基本单元二极管钳位式三电平基本单元+级联型级联型 图图2-61 二极管钳位式三电平基本单元二极管钳位式三电平基本单元+ +级联型级联型将数个二极管钳位式基本单元进行级连便构成了混合将数个二极管钳位式基本单元进行级连便构成了混合2 2型电路拓扑，如图型电路拓扑，如图2-612-61所示。此电路既保留了二极管钳位式多电平的优点，也保

38、留了级联所示。此电路既保留了二极管钳位式多电平的优点，也保留了级联 型的特点。型的特点。当级连数足够时，该结构能够较大幅度地降低输出谐波含量，因此这种基于二当级连数足够时，该结构能够较大幅度地降低输出谐波含量，因此这种基于二极管钳位式的级联式多电平逆变技术堪称为双完美无谐波结构。但是这种电路极管钳位式的级联式多电平逆变技术堪称为双完美无谐波结构。但是这种电路使使 用了大量的功率开关管以及钳位二极管，从而增加了逆变装置的生产成本。用了大量的功率开关管以及钳位二极管，从而增加了逆变装置的生产成本。2.4.4 DC/AC开关变换器基本单元的拓扑叠加设计开关变换器基本单元的拓扑叠加设计 (3) 混合混合3型型电容钳位式三电平基本单元电容钳位