ELECTRONICS WORLD 技术交流
高压变频器拓扑综述
广东石油化工学院自动化系 罗如山 刘 美 王 涛
广州东芝白云菱机电力电子有限公司 曾 光 石 罡 彭云华
【摘要】随着电力电子技术和高压变频器的快速发展，高性能不同类型高压拓扑得到广泛应用，实现高压变频器变换技术的途径有器件串并联、电路多重化以及电路级联等。本文对高压变频变换器变换技术的不同类型拓扑结构进行了综合比较以及总结，同时对高压变频技术的发展趋势进行了展望。
【关键词】高压变频器；大容量变换器；拓扑结构
2.2 大功率直接变频电路
晶闸管交交变频电路，也称周波变换器，主要用于兆瓦级的交流电机调速传动系统，实际使用的主要是三相交交变频电路。把电网频率的交流电变成更低频率可调的交流电的变换电路，属于直接变频电路，如图2所示。其不足之处在于只能降低
频率，一般只能达到原来频率的一半。
1 引言
本文将对国内外高压变频器采用的主电路拓扑进行综述介绍，通过比较各种拓扑的结构以及优缺点，在分析和比较的基础上，对高压变频器拓扑结构研究以及发展方向进行深入探讨，希望对大容量高压变频器变换技术进一步的研究提供了一个参考。
2 传统的大容量变换器结构
2.1 大功率整流电路
工业中最常用的电路是整流电路，整流电路可用于直流调速、变频器输入部分整流、电解电镀等场合，这些场合需要比较高的输出直流电压以及电流，带平衡电抗器的双反星形可控
整流电路拓扑结构如图1所示。
图2 三相交交变频电路
图3 三电平中点箝位式逆变器主电路结构
图1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路
3 多电平逆变器
二极管中点箝位逆变器是一种目前采用比较多的主电路拓扑，其优点有：电力电子器件所承受电压比较低，可用低压器件实现高压输出；输出电压波形比传统两电平结构更接近正弦电压波形，谐波电流含量相对较少；EMI特性更好等。二极管中点箝位逆变器的主电路结构如图3所示，每一相桥臂由四个电力
随着负载的增加，整流电路的输出功率也增加，这时整流电路所带来的高次谐波、无功功率等将对电网的平稳运行造成严重影响，为减轻对电网的冲击，可在普通整流电路进行多重化。进行多重化整流电路的拓扑相同，输出时可达到更大的功率。电路的多重化设计可减少电源侧输入电流的高次谐波，同时提高输入电路的功率因数，减轻对供电电网的冲击以及影响。
基金项目：广东高校石油化工过程装备故障诊断与信息化控制工程技术开发中心资助项目（512031），广东石油化工学院科研启动项目 (203347)， 广州市产学研协同创新重大专项（2014Y2-00212）。
• 143 •
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电子开关器件串联组成，直流电源的中点O（由电容分压得到）由二极管VD1、VD2（A相）引出接到每个桥臂的中点处。
类型的多台逆变器并联的拓扑结构。电流型逆变器和电压型逆变器并联运行，其中电流型逆变器采用晶闸管等大功率器件，工作频率比较低，承担大部分负载功率，电压型逆变器主电路开关器件频率比较高，输出小部分负载功率，这样的结构效率比较高，并且有比较好的动态响应。由于两部分相对独立，当其中一个电路出现故障时，另外一个电路可以正常工作，可以从根本上提高可靠性。双频逆变器是由电流型和电压型逆变电路的基础上组成的，如图6所示，在该电路图中S ap ~S cn 属于电压逆变电路部分，工作在高频状态；S lap ~S lcn ，L la ~L lc 属于电流逆变电路部分，工作在低频状态。
图4 单相H桥串联五电平变换器拓扑结构
二极管中点箝位逆变器中电力电子器件串联，不可避免出现的动态均压问题，也可以使用相对独立的独立直流电源，每个独立电源输出不同的电平，即H桥串联多电平变换器。在所有的H桥串联多电平变换器拓扑中，最基本的是级联型串联结构，图4为这类级联型电路的结构图。
这种电路不需要使用中点钳位二极管或者悬浮电容，独立电源可以采用电池，也可以采用多输出电压电源。H桥串联多电平变换器结构在使用中不足之处在于：输出电压等级越高，需要更多的独立直流电源，这将使电路复杂化。
图6 三相桥式双频逆变电路结构
6 总结与展望
本文对目前几种常见的高压变频器的主电路拓扑进行了比较和分析，二极管钳位型高压变频器在变频调速领域已经有很广泛的应用，但是由于二极管钳位型中点电容电压难以控制平衡，主要还是应用三电平，从中我们可以看出，不同类型的高压变频变换器拓扑结构的提出都是往高性能方向发展的，因为只有这样才能够使得高压变频变换器变得更加实用。
本文同时介绍了一些高压变频变换器研究的最新成果，高压变频变换器结构若要进一步发展，其研究的重点将是如何通过软硬件结合的方式控制中点电容电压平衡，从而实现电压等级的提高。而新型大功率电力电子器件技术的发展也将为大容量变频技术的发展提供基础和源泉，向着高电压，高可靠性，低成本的方向发展。大容量变换器拓扑结构的不断发展，新型电力电子器件的不断更新，必将推动大容量变换器技术的更进一步发展。参考文献
[1]李永东.大容量多电平变换器:原理.控制.应用[M].北京: 科学出版社, 2005.
[2]吴斌.大功率变频器及交流传动[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[3]Rodriguez, J.; Jih-Sheng Lai; Fang Zheng Peng; “Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications”, IEEE Transaction on Industrial ,Volume 49,Issue 4,Aug.2002 Page(s):724–738.作者简介：
罗如山（1980—），男，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作，研究方向为电机与电器，电力电子。
图5 混合型多电平结构
4 混合型多电平变换器结构
混合型多电平逆变器的拓扑结构如图5所示。每一相由三电平二极管钳位型逆变器和全桥逆变电路两部分组成。其中三电平二极管钳位型逆变器负责提供主要的输出功率，起主逆变桥的作用；全桥逆变电路提供辅助作用，用于改善输出波形的和输出小部分功率，因此将采用该拓扑结构的逆变器称为主从式混合多电平逆变器。从两个逆变电路的开关模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图6所示的拓扑结构是类似的，区别在于三电平二极管钳位型逆变器只需要单个电源供电，但是二极管钳位型中增加6个钳位二极管。二极管钳位型电路输出均为三电平，而辅助逆变电路输出两电平。
5 双频变换器结构
为了提高高压变频器的容量和可靠性，有学者提出了不同
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高压变频器拓扑综述
广东石油化工学院自动化系 罗如山 刘 美 王 涛
广州东芝白云菱机电力电子有限公司 曾 光 石 罡 彭云华
【摘要】随着电力电子技术和高压变频器的快速发展，高性能不同类型高压拓扑得到广泛应用，实现高压变频器变换技术的途径有器件串并联、电路多重化以及电路级联等。本文对高压变频变换器变换技术的不同类型拓扑结构进行了综合比较以及总结，同时对高压变频技术的发展趋势进行了展望。
【关键词】高压变频器；大容量变换器；拓扑结构
2.2 大功率直接变频电路
晶闸管交交变频电路，也称周波变换器，主要用于兆瓦级的交流电机调速传动系统，实际使用的主要是三相交交变频电路。把电网频率的交流电变成更低频率可调的交流电的变换电路，属于直接变频电路，如图2所示。其不足之处在于只能降低
频率，一般只能达到原来频率的一半。
1 引言
本文将对国内外高压变频器采用的主电路拓扑进行综述介绍，通过比较各种拓扑的结构以及优缺点，在分析和比较的基础上，对高压变频器拓扑结构研究以及发展方向进行深入探讨，希望对大容量高压变频器变换技术进一步的研究提供了一个参考。
2 传统的大容量变换器结构
2.1 大功率整流电路
工业中最常用的电路是整流电路，整流电路可用于直流调速、变频器输入部分整流、电解电镀等场合，这些场合需要比较高的输出直流电压以及电流，带平衡电抗器的双反星形可控
整流电路拓扑结构如图1所示。
图2 三相交交变频电路
图3 三电平中点箝位式逆变器主电路结构
图1 带平衡电抗器的双反星形可控整流电路
3 多电平逆变器
二极管中点箝位逆变器是一种目前采用比较多的主电路拓扑，其优点有：电力电子器件所承受电压比较低，可用低压器件实现高压输出；输出电压波形比传统两电平结构更接近正弦电压波形，谐波电流含量相对较少；EMI特性更好等。二极管中点箝位逆变器的主电路结构如图3所示，每一相桥臂由四个电力
随着负载的增加，整流电路的输出功率也增加，这时整流电路所带来的高次谐波、无功功率等将对电网的平稳运行造成严重影响，为减轻对电网的冲击，可在普通整流电路进行多重化。进行多重化整流电路的拓扑相同，输出时可达到更大的功率。电路的多重化设计可减少电源侧输入电流的高次谐波，同时提高输入电路的功率因数，减轻对供电电网的冲击以及影响。
基金项目：广东高校石油化工过程装备故障诊断与信息化控制工程技术开发中心资助项目（512031），广东石油化工学院科研启动项目 (203347)， 广州市产学研协同创新重大专项（2014Y2-00212）。
• 143 •
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电子开关器件串联组成，直流电源的中点O（由电容分压得到）由二极管VD1、VD2（A相）引出接到每个桥臂的中点处。
类型的多台逆变器并联的拓扑结构。电流型逆变器和电压型逆变器并联运行，其中电流型逆变器采用晶闸管等大功率器件，工作频率比较低，承担大部分负载功率，电压型逆变器主电路开关器件频率比较高，输出小部分负载功率，这样的结构效率比较高，并且有比较好的动态响应。由于两部分相对独立，当其中一个电路出现故障时，另外一个电路可以正常工作，可以从根本上提高可靠性。双频逆变器是由电流型和电压型逆变电路的基础上组成的，如图6所示，在该电路图中S ap ~S cn 属于电压逆变电路部分，工作在高频状态；S lap ~S lcn ，L la ~L lc 属于电流逆变电路部分，工作在低频状态。
图4 单相H桥串联五电平变换器拓扑结构
二极管中点箝位逆变器中电力电子器件串联，不可避免出现的动态均压问题，也可以使用相对独立的独立直流电源，每个独立电源输出不同的电平，即H桥串联多电平变换器。在所有的H桥串联多电平变换器拓扑中，最基本的是级联型串联结构，图4为这类级联型电路的结构图。
这种电路不需要使用中点钳位二极管或者悬浮电容，独立电源可以采用电池，也可以采用多输出电压电源。H桥串联多电平变换器结构在使用中不足之处在于：输出电压等级越高，需要更多的独立直流电源，这将使电路复杂化。
图6 三相桥式双频逆变电路结构
6 总结与展望
本文对目前几种常见的高压变频器的主电路拓扑进行了比较和分析，二极管钳位型高压变频器在变频调速领域已经有很广泛的应用，但是由于二极管钳位型中点电容电压难以控制平衡，主要还是应用三电平，从中我们可以看出，不同类型的高压变频变换器拓扑结构的提出都是往高性能方向发展的，因为只有这样才能够使得高压变频变换器变得更加实用。
本文同时介绍了一些高压变频变换器研究的最新成果，高压变频变换器结构若要进一步发展，其研究的重点将是如何通过软硬件结合的方式控制中点电容电压平衡，从而实现电压等级的提高。而新型大功率电力电子器件技术的发展也将为大容量变频技术的发展提供基础和源泉，向着高电压，高可靠性，低成本的方向发展。大容量变换器拓扑结构的不断发展，新型电力电子器件的不断更新，必将推动大容量变换器技术的更进一步发展。参考文献
[1]李永东.大容量多电平变换器:原理.控制.应用[M].北京: 科学出版社, 2005.
[2]吴斌.大功率变频器及交流传动[M].北京:机械工业出版社, 2008.
[3]Rodriguez, J.; Jih-Sheng Lai; Fang Zheng Peng; “Multilevel inverters: a survey of topologies, controls, and applications”, IEEE Transaction on Industrial ,Volume 49,Issue 4,Aug.2002 Page(s):724–738.作者简介：
罗如山（1980—），男，讲师，主要从事电气工程及其自动化专业的教学和科研工作，研究方向为电机与电器，电力电子。
图5 混合型多电平结构
4 混合型多电平变换器结构
混合型多电平逆变器的拓扑结构如图5所示。每一相由三电平二极管钳位型逆变器和全桥逆变电路两部分组成。其中三电平二极管钳位型逆变器负责提供主要的输出功率，起主逆变桥的作用；全桥逆变电路提供辅助作用，用于改善输出波形的和输出小部分功率，因此将采用该拓扑结构的逆变器称为主从式混合多电平逆变器。从两个逆变电路的开关模式和输出电压效果来看，该拓扑结构与图6所示的拓扑结构是类似的，区别在于三电平二极管钳位型逆变器只需要单个电源供电，但是二极管钳位型中增加6个钳位二极管。二极管钳位型电路输出均为三电平，而辅助逆变电路输出两电平。
5 双频变换器结构
为了提高高压变频器的容量和可靠性，有学者提出了不同