隨著技術的進步，設備必須繼續具有出色的性能和效率。盡管傳統的多電平轉換器 ( MLC ) 滿足了這些需求，但它們仍然需要大量的電力電子開關和支持電路，并且系統復雜，所有這些都會導致額外的成本和龐大的系統。本文討論了一種有效的 MLC 修改，它使用先進技術來增強傳統類型的轉換器。

MLC 是一種從低壓組件生成高壓波形的技術。它使用需要中等功率的設備，適用于使用高功率的應用。MLC 具有多種優勢，例如改善輸出波形、減少諧波和降低開關損耗。在需要大量功率和中低電壓范圍的區域中，它們是最佳選擇。MLC 可用于工業中的 AC/AC 應用，以在穩壓器中提供具有單位功率因數的正弦波輸入電流，并保護計算機、醫療儀器和通信裝置等敏感設備免受劣質電源的影響。DC/AC MLC 用于天然氣、石油、采礦和海洋工業。在可再生能源低功耗應用中，MLC 是解決效率問題的有效解決方案。

MLC 具有三種類型的拓撲：飛跨電容器(FC)、中點鉗位 (NPC) 和級聯 H 橋。可以修改 NPC 型拓撲以產生稱為 T 型拓撲的轉換器。雖然這種拓撲結構降低了傳導損耗（NPC 的一個缺點），但它仍然存在高開關損耗。隨后，研究人員提出了一種五電平系統，只需修改三電平 T 型拓撲，即可最大限度地降低開關電壓應力。它包含了 T 型的所有優點，包括即興的波形和減少諧波。在進一步修改后，提出了一個專注于高開關損耗的系統：一個 T 型高效轉換器，其中外部開關被 SiC MOSFET 取代。

T型轉換器的形成

圖 1：三電平腿的五電平 T 型逆變器

上圖為典型的由三電平T型腿組成的單相逆變器。它總共包含八個功率器件（即S 1a –S 4a和S 1b –S 4b）和反并聯二極管。該電路有兩種可能的三電平支路配置：共發射極 (CE) 或共集電極 (CC)。使用這些，可以引入兩個新穎的支路，使用外部的兩個 SiC MOSFET 開關和兩個較低額定值的 Si MOSFET 作為雙向開關，如下所示。

圖 2：（a）CC 配置和（b）CE 配置中的新型 T 型腿

在圖 2a 中，通過在點“x”處連接 S 1a的端子、開關 S 2a的集電極端子和 S 3a的集電極端子形成一個修改的腿（Leg A） 。該配置是雙向開關的CC配置。以相同的方式，使用S 4a、開關S 2a的發射極端子和在點“y”處的S 3a的發射極端子形成另一個修改的腿(Leg B) 。這種配置是雙向開關的 CE 排列，如圖 2b 所示。

一級單相T型逆變器工作原理

圖 3：使用 SiC 的新型 T 型腿形成的逆變器

上圖展示了一種新穎的逆變電路，一個五電平單相T型逆變器。它由兩條先進的、改進的三級T型腿組成。該電路是一個簡化版本，因為沒有鉗位二極管。在V a0和V b0處得到的電壓電平有3個電壓電平，作為輸出得到的電壓有5個電壓電平，計算公式為：

V ab = V a0 - V b0

為了便于控制，需要互補邏輯的對稱性是通過選擇合適的開關編號來實現的。為了同時停止導通，定義了開關限制。所以，我們有：

其中x = 1, 2 和y = a, b。

圖 4：工作模式和電流路徑電路

上圖顯示了新型逆變器支路 A 的開關狀態電路。如果相應的開關閉合，Qx y為 1，如果開關打開，則為 0。相電流從直流鏈路的節點之一流出。根據開關狀態，相應的電容器電壓將出現在交流側。經過進一步分析，可以觀察到新型 T 型逆變器有助于抑制逆變器 Leg A 和 Leg B 的開關上的總電壓應力。另一個積極的方面是 Leg A 和 Leg B 相互獨立，可以用于形成多相轉換器。

五電平單相T型變流器的仿真結果

圖 5：基于相位配置的調制方案

可以使用各種調制技術，包括也用于其他拓撲的脈寬調制方案。但在本文中，我們關注的是相位配置調制，如上圖所示。通過使用 Wave 1 和 Wave 2 作為載波，為 Q1y 和 Q2y 生成開關信號。正弦調制波的相位相差 180°。

采用相位配置調制技術對 T 型五電平單相變換器進行了仿真。在輸出側連接了 125-V、1-kVA、0.8-lag pf、50-Hz 的負載，并使用了 200 V 的直流母線電壓。從結果可以確定，在腿 A 的正電壓期間，完整的直流母線電壓應力僅出現在 Q2a 上，類似地，對于腿 B，在負輸出期間，完整的直流母線電壓應力僅出現在 Q1b 上。下圖顯示了新型轉換器的一條腿的輸出和電壓輸出。

圖 6：新型轉換器的單腳輸出和電壓輸出

不同五級拓撲的比較

在將新型 T 型拓撲與傳統 T 型、NPC、FC 和 CHB 拓撲進行比較時，需要考慮各種因素，例如所需的組件、隔離電源和鉗位二極管要求。主開關的數量幾乎相等，但在少數拓撲中取消了鉗位二極管和電容器。這種新穎的 T 型拓撲還專注于降低電壓應力，并用有利的 SiC 開關取代傳統的 Si 開關。因此，在減少應力和最小化開關數量的同時，可以增加相同損耗的開關頻率，從而提高轉換器的效率和可靠性。

圖 7：不同五級拓撲之間的比較

結論

仿真結果表明這種 T 型拓撲在所需的允許范圍內的適用性。它提供了諸如鉗位開關數量減少和雙向開關減少等優點。這些新穎的 T 型腿拓撲顯示的開關電壓應力小于傳統的 T 型。使用這些獨立的支路可以實現多相系統，并且可以在 H 橋單元的幫助下實現更高的電壓電平。此外，還可以計算損耗并與傳統拓撲進行比較，從而實現高效逆變器和 AC/DC/AC 轉換器。因此，可以進行研究，以減少仍面臨全電壓應力的開關的電壓影響。


審核編輯：劉清