電力電子器件與變換器

1、電力電子器件與變換器第1頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四第3章電力電子器件與變換器3.3.3基于器件特性的變換器基本拓撲單元3.3.4兩電平拓撲結(jié)構(gòu)3.4多電平電力電子變換器3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)3.4.2二極管鉗位式多電平變換器3.4.3電容懸浮式多電平變換器3.4.4級聯(lián)式多電平變換器3.4.5多電平統(tǒng)一變換拓撲及瞬態(tài)換流回路第2頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-1一個典型的電力電子變換器裝置結(jié)構(gòu)示意圖第3頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.1電力半導(dǎo)體器件的分類根據(jù)器件所用半導(dǎo)體材料、制造工藝、工作機理

2、及器件開通和關(guān)斷的控制方式的不同，電力半導(dǎo)體器件有許多種類和不同的分類方式。第4頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.1.1按照電力半導(dǎo)體器件發(fā)展來分類1.第一代器件2.第二代器件3.第三代器件第5頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.第一代器件主要以功率二極管(Power Diode)和晶閘管(Thyristor，也稱之為Silicon Controlled Rectifier，SCR)為代表，是電力電子技術(shù)發(fā)展早期的主要器件，是傳統(tǒng)電力電子技術(shù)的標(biāo)志。第6頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.第二代器件主要以可關(guān)斷晶閘

3、管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)、大功率晶體管(Giant Transistor，GTR)和功率場控晶體管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET)為代表。隨著電力電子的發(fā)展，對器件的可控性提出了更高的要求，這些器件相對于第一代器件最明顯的區(qū)別是能夠進行可控關(guān)斷，這也是現(xiàn)代電力電子技術(shù)的標(biāo)志。第7頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.第三代器件主要以高性能的絕緣柵雙極性晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)、集成門極換流晶

4、閘管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)和智能功率模塊(Intelligent Power Module，IPM)等器件為代表。其中，IGBT成為第三代電力電子器件的典型代表。第8頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.1.2按照電力半導(dǎo)體器件控制方式來分類1.不控型2.半控型3.全控型第9頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.不控型這類器件為兩端器件，一般其中一端為陽極，另一端為陰極。其開關(guān)操作僅取決于施加于器件陽、陰極間的電壓，正導(dǎo)通，負關(guān)斷，流過其中的電流是單方向的。由于其開通和關(guān)斷不能通過器

5、件本身進行控制，故這類器件稱為不控型器件，這類器件主要為各種不同類型的功率二極管，比如大功率二極管、快速恢復(fù)二極管和肖特基二極管等。第10頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.半控型這類器件是三端器件，除陽極和陰極外，還增加了一個控制門極。半控型器件也具有單向?qū)щ娦裕溟_通不僅需在其陽、陰極間施加正向電壓，而且必須在門極和陰極間輸入正向可控功率，稱之為“開通可控”。然而這類器件一旦開通，就不能再通過門極控制關(guān)斷，只能從外部改變加在陽、陰極間的電壓極性或強制陽極電流變成零，所以把它們稱為半控型器件。這類器件主要指晶閘管及其派生器件，如雙向型晶閘管、逆導(dǎo)型晶閘管等。第11頁

6、，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.全控型這一類器件也是帶有控制端的三端器件，其控制端不僅可控制其開通，而且也能控制其關(guān)斷，故稱全控型器件。由于不需要外部提供關(guān)斷條件，僅靠自身控制即可關(guān)斷，所以這類器件常被稱為自關(guān)斷器件。這類器件種類多，工作機理也不盡相同，包括GTR、GTO、功率MOSFET、IGBT等。第12頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.1.3按照電力半導(dǎo)體器件驅(qū)動方式分類1.電流控制型器件2.電壓控制型器件第13頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.電流控制型器件電流控制型器件必須有足夠的驅(qū)動電流才能使器件通

7、斷，因而一般情況下需要較大的驅(qū)動功率，這類器件有SCR、GTR、GTO等。第14頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.電壓控制型器件電壓控制型器件的通斷只需要有足夠的電壓和很小的驅(qū)動電流就可以，因而電壓控制型器件只需很小的驅(qū)動功率。這類器件有IGBT、MOSFET等。第15頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.1.4按照電力半導(dǎo)體器件中載流子性質(zhì)分類1.雙極型器件2.單極型器件3.混合型器件第16頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.雙極型器件雙極型器件是指在器件內(nèi)部電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件，這類器件

8、的通態(tài)壓降低、阻斷電壓高、電流容量大，適用于中大容量的變流裝置。常見的有GTR、GTO、GCT(IGCT中的門極換流晶閘管，不包括門極電路)、SITH等。第17頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.單極型器件單極型器件是指器件內(nèi)只有一種載流子(即多數(shù)載流子)參與導(dǎo)電過程的電力半導(dǎo)體器件，典型器件有功率場控晶體管(MOSFET)和靜電感應(yīng)晶體管(SIT，Static Induction Transistor)兩種。功率MOSFET為電壓控制器件，具有驅(qū)動功率小，開關(guān)速度高，無二次擊穿問題，安全工作區(qū)寬等顯著特點。這種器件還具有電流負溫度系數(shù)、良好的電流自動調(diào)節(jié)能力、良好的

9、熱穩(wěn)定性和較高的抗干擾能力等優(yōu)點。其缺點是通態(tài)電阻大、導(dǎo)通壓降較高。另外，由于導(dǎo)電機理和結(jié)構(gòu)的特點，其電流容量和耐壓提高難度較大。它常用于中小功率、開關(guān)頻率較高的變流裝置中。第18頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.混合型器件圖3-2部分電力半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)示意圖第19頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2電力半導(dǎo)體器件的工作原理及特性1)不同雜質(zhì)半導(dǎo)體材料的PN結(jié)特性。2)器件內(nèi)部各PN結(jié)相互之間的作用關(guān)系。3)器件內(nèi)部PN結(jié)與外界條件之間的作用關(guān)系。第20頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2電力半導(dǎo)體器件的工作原

10、理及特性圖3-3部分電力電子開關(guān)器件符號示意圖第21頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2.1單PN結(jié)器件(二極管)的工作原理與特性1.能級與能帶2.電子與空穴3.電離與復(fù)合4.少子與多子5.擴散與漂移6.空間電荷區(qū)7.正偏與反偏8.少子注入與少子抽出9.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)10.通態(tài)壓降與阻態(tài)漏電流11.PN結(jié)的電擊穿12.PN結(jié)的熱擊穿第22頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2.1單PN結(jié)器件(二極管)的工作原理與特性13.PN結(jié)的電容效應(yīng)14.PN結(jié)的電路外特性第23頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.能級與能帶圖3

11、-4半導(dǎo)體原子內(nèi)部的電子所處的能級與能帶示意圖第24頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.電子與空穴圖3-5半導(dǎo)體晶體內(nèi)的自由電子與空穴形成示意圖第25頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.電離與復(fù)合在本征半導(dǎo)體中，由于晶體本身原子的熱運動而不斷使價帶中的價電子激發(fā)到導(dǎo)帶，這一過程稱之為電子與空穴的“電離”；另一方面，處于導(dǎo)帶的自由電子在運動過程中又有可能與空穴相遇，這時，如果它以一定的方式放出原來吸收的能量，就可以返回價帶，這稱之為電子與空穴的“復(fù)合”。在平衡情況下，半導(dǎo)體內(nèi)部具有確定數(shù)目的電子和空穴，這就意味著在單位時間內(nèi)，電離的載流子數(shù)目與

12、復(fù)合的數(shù)目相等，即電離率與復(fù)合率相等，使載流子保持一定的濃度，處于一種動態(tài)平衡之中。第26頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.少子與多子圖3-6P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體第27頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四5.擴散與漂移圖3-7PN結(jié)示意圖第28頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四6.空間電荷區(qū)擴散運動和漂移運動互相聯(lián)系又互相矛盾。在一定溫度下，當(dāng)兩者達到動態(tài)平衡時，正、負空間電荷量達到穩(wěn)定值，總量不再變化，形成了一個穩(wěn)定的由空間電荷構(gòu)成的范圍，稱為空間電荷區(qū)。在整個空間電荷區(qū)范圍內(nèi)，正、負電荷數(shù)量相等，仍保持電中性，這就

13、是PN結(jié)。第29頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四7.正偏與反偏圖3-8PN結(jié)的正偏置和反偏置第30頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四8.少子注入與少子抽出當(dāng)PN結(jié)處于正偏置時，在外加電場作用下，擴散運動大于漂移運動，形成擴散電流。由于中和的結(jié)果使空間電荷量減少，即使PN結(jié)變窄，這種現(xiàn)象稱為“少子注入”。在外電路上形成一個流入P區(qū)的電流，稱為正向電流IF。當(dāng)外加電壓D升高時，PN結(jié)內(nèi)電場被進一步削弱，擴散電流隨之增加。正向的PN結(jié)表現(xiàn)為一個很小的電阻，可以流過較大的正向電流，稱為正向?qū)ā５?1頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，

14、星期四9.電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)少子注入效應(yīng)是在正偏置時，外電場削弱了內(nèi)電場，破壞了PN結(jié)原有的平衡。從電路的角度，表現(xiàn)為改變了PN結(jié)的電阻，即電流增大，電阻減小，該現(xiàn)象稱之為“電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)”。少子注入效應(yīng)也稱為非平衡載流子注入效應(yīng)。雙極性器件的電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)是其主要特點之一。第32頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四10.通態(tài)壓降與阻態(tài)漏電流在PN結(jié)正向?qū)〞r，可以流過較大的正向電流，表現(xiàn)為短路的狀態(tài)，但是PN結(jié)兩端仍存在一定的壓降，該壓降與PN結(jié)的體電阻和勢壘都有關(guān)系，稱之為通態(tài)壓降，一般用u0表示，約為0.53V。在PN結(jié)反向截止時，表現(xiàn)為少子抽出，但由于少數(shù)載流子的濃度很小，

15、在一定溫度下，漂移電流的數(shù)值趨于恒定，表現(xiàn)在外電路上是一個流入N區(qū)的反向電流，該電流稱為反向飽和電流，也稱阻態(tài)漏電流，用IS表示，一般為微安級。第33頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四11.PN結(jié)的電擊穿圖3-9PN結(jié)雪崩擊穿示意圖第34頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四12.PN結(jié)的熱擊穿PN結(jié)的反向電流會隨著結(jié)溫T的上升而增加，這與中性區(qū)少數(shù)載流子的濃度和空間電荷區(qū)產(chǎn)生的電流都會隨著溫度的上升而加大有關(guān)。另外，溫度的升高還會對PN結(jié)的雪崩擊穿電壓有影響。為了避免這些熱效應(yīng)嚴(yán)重影響結(jié)型器件的穩(wěn)定性，必須對器件采取有效的散熱措施，因而電力電子裝置

16、中的電力半導(dǎo)體器件大多安裝在散熱器上。第35頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四13.PN結(jié)的電容效應(yīng)圖3-10勢壘電容和擴散電容隨外加電壓的變化第36頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四14.PN結(jié)的電路外特性圖3-11二極管穩(wěn)態(tài)特性等效電路第37頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四14.PN結(jié)的電路外特性圖3-12二極管的伏安特性曲線第38頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四14.PN結(jié)的電路外特性圖3-13二極管的正、反向恢復(fù)過程第39頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2.

17、2多PN結(jié)器件的工作原理1.大功率晶體管的基本工作原理2.MOSFET的基本工作原理3.IGBT的基本工作原理4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理第40頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2.2多PN結(jié)器件的工作原理圖3-14三種電力半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)示意圖第41頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.大功率晶體管的基本工作原理圖3-15一個PNP型晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和符號示意圖第42頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.MOSFET的基本工作原理圖3-16MOSFET的模擬結(jié)構(gòu)第43頁，共99頁，2022年，5月20日，17點

18、51分，星期四3.IGBT的基本工作原理圖3-17IGBT等效電路第44頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.IGBT的基本工作原理表3-1HVIGBT模塊CM900HB-90H的基本性能參數(shù)第45頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-18三種不同類型的IGCT符號表示第46頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-19GTO和GCT的剖面示意圖第47頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-20IGCT的

19、等效示意圖第48頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.IGCT的基本結(jié)構(gòu)和工作原理圖3-21IGCT的開通和阻斷示意圖第49頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.2.3多PN結(jié)器件的特性1.轉(zhuǎn)移特性2.伏安特性3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))4.開通與關(guān)斷過程5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量第50頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四1.轉(zhuǎn)移特性圖3-22IGBT的轉(zhuǎn)移特性第51頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四2.伏安特性伏安特性是指以門射極電壓UGE作為參變量，IGBT的集電極電流與集發(fā)極之間電

20、壓關(guān)系的曲線族，如圖3-23所示。其中第一象限為通態(tài)特性和正向阻態(tài)特性，第三象限為反向阻態(tài)特性。在一些實際應(yīng)用中，IGBT中有反并聯(lián)的二極管，則其反向阻態(tài)特性為二極管的通態(tài)特性。同樣，理想化的IGBT伏安特性如圖3-24所示。第52頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))圖3-23IGBT的伏安特性曲線第53頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.擎住效應(yīng)(又稱鎖住效應(yīng))圖3-24理想化的IGBT伏安特性曲線第54頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.開通與關(guān)斷過程圖3-25IGBT開通與關(guān)斷的電壓電流

21、示意圖第55頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四4.開通與關(guān)斷過程表3-2多種多PN結(jié)電力電子開關(guān)器件特性的比較第56頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四5.器件的du/dt耐量和di/dt耐量在電力半導(dǎo)體器件特性中，不僅要考慮流經(jīng)器件的最大電流和器件承受的最大電壓，電壓和電流的變化率也是非常重要的性能參數(shù)。第57頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3電力電子變換器的拓撲結(jié)構(gòu)圖3-26具有相同拓撲，但不同器件的逆變電路第58頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.1變換器理想開關(guān)的定義1)通態(tài)時，看

22、成是一個阻值極低的電阻，可以認為阻值為零。2)阻態(tài)時，看成是一個阻值極大的電阻，可以認為阻值為無窮大。3)開通和關(guān)斷，即通態(tài)和阻態(tài)之間切換時，切換時間為零。4)通態(tài)時，至少在一個方向上能流通電流；阻態(tài)時，至少能在一個方向承受電壓，最理想的開關(guān)能夠雙向流通電流，雙向承受電壓，即雙向可控開關(guān)。1)通態(tài)時，無論其流經(jīng)的電流為多大，兩端壓降為零。2)阻態(tài)時，無論其兩端承受的電壓為多大，流經(jīng)電流為零。3)開通時，即由阻態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)換時，其阻態(tài)兩端承受的壓降在零時間內(nèi)降為零。第59頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.1變換器理想開關(guān)的定義4)關(guān)斷時，即由通態(tài)向阻態(tài)轉(zhuǎn)換時，其通態(tài)

23、流經(jīng)電流在零時間內(nèi)降為零。5)雙向可控開關(guān)，處于通態(tài)時，其流通電流方向可正可負；處于阻態(tài)時，其兩端的承受電壓可正可負，即在其電壓電流相平面圖上，其工作區(qū)域為兩坐標(biāo)軸，如圖3-27所示。6)相對于實際器件，理想器件還具有這樣的特性，即其通態(tài)和阻態(tài)時間寬度可以無限小(即沒有最小脈寬限制)。第60頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-27雙向可控理想開關(guān)的開關(guān)軌跡 第61頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-28組合式與非組合式雙向可控開關(guān)第62頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.2變換器的基本拓撲單元1)具有電壓源性

24、質(zhì)的元件，包括電壓源、電容等，不能被短路。2)具有電流源性質(zhì)的元件，包括電流源，電感等，不能被開路。第63頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.2變換器的基本拓撲單元圖3-29n相輸入p相輸出開關(guān)矩陣變換器第64頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.2變換器的基本拓撲單元圖3-30Buck和Boost變換器的原理示意圖第65頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-31n相輸入p相輸出開關(guān)矩陣變換器(n=p=1)第66頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-32電力電子變換器基本拓撲單元的兩種

25、形式第67頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-33變換器的基本拓撲單元第68頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-34變換器的基本拓撲單元以及開關(guān)軌跡第69頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四圖3-35六種基本的DC/DC變換器示意圖第70頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四表3-3六種DC/DC變換器的輸出與輸入電壓的關(guān)系第71頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.3基于器件特性的變換器基本拓撲單元1)通態(tài)時，其流通的電流工作在限制的范圍內(nèi)，兩端壓降與流經(jīng)電流相關(guān)，一

26、般來說其值很小，稱之為通態(tài)壓降。2)阻態(tài)時，其兩端承受的電壓工作在限制的范圍內(nèi)，其漏電流與兩端承受電壓相關(guān)，一般來說其值很小，稱之為阻態(tài)漏電流。3)開通時，即由阻態(tài)向通態(tài)轉(zhuǎn)換時，其阻態(tài)兩端承受的壓降在一定的時間內(nèi)按照一定的規(guī)律變化降為通態(tài)壓降。4)關(guān)斷時，即由通態(tài)向阻態(tài)轉(zhuǎn)換時，其通態(tài)流通電流在一定的時間內(nèi)按照一定的規(guī)律變化降為阻態(tài)漏電流。5)無論通態(tài)或者阻態(tài)，其維持時間寬度不能為無限小，即開關(guān)器件開通后不能馬上關(guān)斷或者關(guān)斷后馬上開通，這主要是受開關(guān)器件恢復(fù)特性的影響。第72頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.3基于器件特性的變換器基本拓撲單元6)開關(guān)器件兩端承受電

27、壓以及流通電流的變化率必須受一定的限制，即開關(guān)器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。1)開關(guān)單元輸入或者輸出的電壓或者電流，以及它們的變化率，必須在額定的范圍內(nèi)。2)兩個開關(guān)為互鎖關(guān)系，不能造成電壓源短路或者電流源開路的情況。3)因為開關(guān)的開通和關(guān)斷需要一定的時間，則兩開關(guān)動作之間存在一定的“死區(qū)”。4)因為開關(guān)器件存在最小通態(tài)和斷態(tài)時間，則基本拓撲單元控制存在最小脈寬。5)兩個開關(guān)的動態(tài)特性相互影響。第73頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.4兩電平拓撲結(jié)構(gòu)1)一般只使用于小容量的變換器。2)輸出電壓波形中諧波較大。3)一般來說，需要較高的開關(guān)頻率。4)輸出電

28、壓波形中，du/dt較大。5)損耗較大，效率較低。第74頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.4兩電平拓撲結(jié)構(gòu)圖3-36三相兩電平逆變拖動系統(tǒng)的示意圖第75頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.3.4兩電平拓撲結(jié)構(gòu)圖3-37兩電平SPWM調(diào)制波與線電壓幅頻特性及其諧波分析第76頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4多電平電力電子變換器多電平電力電子變換器，簡稱多電平變換器。這種變換器正是為適應(yīng)于集成系統(tǒng)的發(fā)展，為提高系統(tǒng)性能和適應(yīng)性而提出來的。一般來說，多電平變換器具有更多的開關(guān)器件和較復(fù)雜的拓撲結(jié)構(gòu)。上一節(jié)的兩電平

29、變換器拓撲特性分析也適用于多電平變換器。但是與兩電平變換器拓撲不同，多電平變換器拓撲具有自己本身獨有的特點。第77頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)1)主電路中的每個開關(guān)器件承受一部分直流母線電壓，可以采用較低耐壓的器件組合來實現(xiàn)高壓大功率輸出，且無需動態(tài)均壓電路。2)由于電平數(shù)的增加，改善了輸出電壓波形，減小了輸出電壓波形的畸變(THD減小)。3)可以較低的開關(guān)頻率獲得與高開關(guān)頻率下兩電平變換器相同的輸出電壓波形，因而開關(guān)損耗較小，效率高。4)由于電平數(shù)的增加，在相同的直流母線電壓條件下，變換器輸出電壓突變的臺階大大減小，使du/dt應(yīng)力大大

30、減小，在中、高壓大電機驅(qū)動中，有效防止電機繞組絕緣擊穿，同時改善了變換器裝置的EMI特性。第78頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-38多電平變換器與電機集成系統(tǒng)示意圖第79頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-39未經(jīng)調(diào)制的五電平輸出波形(線電壓為九電平)第80頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.1多電平變換器基礎(chǔ)圖3-40采用調(diào)制的五電平輸出波形(線電壓為九電平)第81頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變

31、換器1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。2)階梯波調(diào)制時，器件在基頻下工作，開關(guān)損耗小，效率高。3)可控制無功功率流向。4)背靠背連接系統(tǒng)控制簡單。1)需要較多鉗位二極管。2)每橋臂內(nèi)外側(cè)功率器件的導(dǎo)通時間不同，造成負荷不一致。3)存在直流分壓電容電壓不平衡問題。第82頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變換器表3-4二極管鉗位式多電平變換器器件個數(shù)統(tǒng)計(一個橋臂)(單位：“個”或“只”)第83頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-41兩種二極管鉗位式五電平變換器示意圖(一個橋臂)第

32、84頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-42無時的漏電流匹配第85頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變換器圖3-43有時的漏電流匹配第86頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.2二極管鉗位式多電平變換器表3-5二極管鉗位式五電平變換器一個橋臂輸出電壓與開關(guān)狀態(tài)之間的關(guān)系第87頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.3電容懸浮式多電平變換器1)電平數(shù)越多，輸出電壓諧波含量越少。2)階梯波調(diào)制時，器件在基頻下開通關(guān)斷，損耗小，效率高。3)可控?zé)o功和有功功率流，因而可用于高壓直流輸電和變頻調(diào)速。4)大量的開關(guān)狀態(tài)組合冗余，可用于電壓平衡控制。1)需大量的鉗位電容。2)用于純無功負載時，存在懸浮電容電壓的不平衡。第88頁，共99頁，2022年，5月20日，17點51分，星期四3.4.3電容懸浮式多電平變換器圖3-44電容懸浮式五電平變換器示意圖(一個橋臂)第8