【开关型功率放大器的拓扑结构分析1700字】

开关型功率放大器的拓扑结构分析1.1多重化技术图1.2变压器四重化结构示意图王铁军[11]提出了用于多重化逆变的移相变压器，曾广泛应用于早期的大容量STATCOM和APF中。图1.2为典型的利用多绕组变压器实现多重化拓扑的示意图。变压器多重化结构的关键在于输出电压侧的多绕组变压器，其二次侧与n个H桥的输出波形相连，且每个输出电压的相位依次滞后，然后经过多绕组变压器合成电压，在一次侧输出电压，等效开关频率提高为功率型电力电子器件的物理开关频率的n倍。变压器多重化结构的优点包括：电力电子器件承受的耐压一致、便于模块化、谐波分量含量较低等。然而由于多绕组变压器会导致功率设备产生较大的损耗和增加功率设备的生产成本，且考虑到每个模块之间需要严格遵守一定的移相角度以及多绕组变压器中每个绕组在不同情况下需要不同的连接方式，因此其生产和制造工艺会变得非常复杂，不利于工业使用。此外，由于输出的频率范围较大，可能导致多绕组变压器的铁芯出现饱和现象，影响输出信号的保真度，使得电路的可靠性下降，不利于该技术的进一步推广。1.2多电平技术为了克服多重化技术中变压器的各种缺点，学者们提出了各类多电平技术拓扑。采用多电平技术的电路拓扑结构的输出电压等级较高，输出电压保真度较好，且分配到各个电力电子器件的电压应力较为平均且相对较小，因此多电平技术目前被广泛应用于电力系统静止无功补偿（StaticVarCompensator）器等领域。随着多电平技术的发展，两类拓扑得到广泛应用，分别是钳位型变流器拓扑和单元级联型变流器拓扑。钳位型变换器拓扑中，根据钳位元件类型的不同可以分为二极管中点钳位型多电平变流器（Neutral-Point-ClampedMulti-levelConverter,NPC-MC）和飞跨电容型多电平变流器（Flying-CapacitorMulti-levelConverter,FC-MC）；单元级联型变流器拓扑中，包括两电平H桥和三电平H桥，后文以应用最广泛的两电平H桥DCMC拓扑为例讨论单元级联型拓扑的工作原理和研究现状。1.NPC多电平变流器图1.3NPC多电平变流器结构NPC多电平变流器结构最早由A.Nabae[3]提出,其拓扑结构如图1.3所示。为了得到多电平输出电压，组合各个中点钳位二极管的开关器件的不同开关状态即可。NPC多电平变流器的优点在于每个开关型电力电子器件所承受的电压应力均为直流侧母线电压的1/n，输出的波形保真度高，谐波含量较少。然而，随着电平数目的提高，该NPC多电平变流器结构需要增加大量的开关型功率器件和钳位二极管。具体而言，对于二极管中点钳位M电平拓扑每相桥臂需要使用2（M-1）个开关型功率器件和2（M-2）个钳位二极管。因此，对于NPC多电平拓扑而言，三电平输出已经是最为经济有效的结构，要求更高的电平输出会不利于工业化生产[4]。2.FC多电平变流器图1.4FC多电平变流器结构Meynard和Foch[5]于1992年提出了飞跨电容型多电平变流器结构，其典型电路如图1.4所示。与NPC多电平变流器的原理不同，FC多电平变流器主要采用飞跨电容对各个开关型电力电子器件进行电压钳位。根据各个开关型电力电子器件的开关状体，可以组合出目标的电平数目。FC多电平变流器的优点在于其数目众多的飞跨钳位电容可以为该拓扑带来冗余的开关组合状态，用于各个电容电压的平衡控制，提高了装置的整体稳定性。然而对于飞跨电容M电平变流器拓扑结构，每相桥臂需要采用（M-1）（M-2）2个飞跨电容。一般电容在PCB板上所占的体积很大，且成本很高，并且在工作前需要对电容进行预先充电，因此在电平数很高时的使用价值较低。此外，随着FC多电平变流器的电平数目提升，所需的飞跨电容的数目也急剧提升，此时对各个元件的控制会变得极其复杂，因此无法实现更高电平数目的输出。3.级联H桥型多电平变换器图1.5级联H桥型多电平结构1971年W.McMurra提出了级联H桥型多电平结构，其拓扑结构如图1.5所示[6,7]。H桥的N个子模块结构完全相同，每个子模块输出三电平电压，经过H桥级联后整体输出（2N+1）电平的输出电压波形。每个H桥子模块采用互相隔离的独立直流电源供电，因此不存在电容电压分压不均的问题；除此之外，当其中一个子模块发生故障，可以通过冗余子模块的投切运行避免设备停机维修，增加了设备的可靠性；相比于各类钳位型多电平