变换器理想开关的定义1)通态时，看成是一个阻值极低的电阻，可以认为阻值为零。2)阻态时，看成是一个阻值极大的电阻，可以认为阻值为无穷大。3)开通和关断，即通态和阻态之间切换时，切换时间为零。4)通态时，至少在一个方向上能流通电流；阻态时，至少能在一个方向承受电压，最理想的开关能够双向流通电流，双向承受电压，即双向可控开关。1)通态时，无论其流经的电流为多大，两端压降为零。2)阻态时，无论其两端承受的电压为多大，流经电流为零。3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在零时间内降为零。变换器理想开关的定义4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流经电流在零时间内降为零。5)双向可控开关，处于通态时，其流通电流方向可正可负；处于阻态时，其两端的承受电压可正可负，即在其电压电流相平面图上，其工作区域为两坐标轴，如图3-27所示。6)相对于实际器件，理想器件还具有这样的特性，即其通态和阻态时间宽度可以无限小(即没有最小脉宽限制)。图1双向可控理想开关的开关轨迹 图2组合式与非组合式双向可控开关变换器的基本拓扑单元1)具有电压源性质的元件，包括电压源、电容等，不能被短路。2)具有电流源性质的元件，包括电流源，电感等，不能被开路。变换器的基本拓扑单元图3n相输入p相输出开关矩阵变换器图4电力电子变换器基本拓扑单元的两种形式图5变换器的基本拓扑单元图6变换器的基本拓扑单元以及开关轨迹基于器件特性的变换器基本拓扑单元1)通态时，其流通的电流工作在限制的范围内，两端压降与流经电流相关，一般来说其值很小，称之为通态压降。2)阻态时，其两端承受的电压工作在限制的范围内，其漏电流与两端承受电压相关，一般来说其值很小，称之为阻态漏电流。3)开通时，即由阻态向通态转换时，其阻态两端承受的压降在一定的时间内按照一定的规律变化降为通态压降。4)关断时，即由通态向阻态转换时，其通态流通电流在一定的时间内按照一定的规律变化降为阻态漏电流。5)无论通态或者阻态，其维持时间宽度不能为无限小，即开关器件开通后不能马上关断或者关断后马上开通，这主要是受开关器件恢复特性的影响。基于器件特性的变换器基本拓扑单元6)开关器件两端承受电压以及流通电流的变化率必须受一定的限制，即开关器件存在du/dt耐量和di/dt耐量。1)开关单元输入或者输出的电压或者电流，以及它们的变化率，必须在额定的范围内。2)两个开关为互锁关系，不能造成电压源短路或者电流源开路的情况。3)因为开关的开通和关断需要一定的时间，则两开关动作之间存在一定的“死区”。4)因为开关器件存在最小通态和断态时间，则基本拓扑单元控制存在最小脉宽。5)两个开关的动态特性相互影响。两电平拓扑结构1)一般只使用于小容量的变换器。2)输出电压波形中谐波较大。3)一般来说，需要较高的开关频率。4)输出电压波形中，du/dt较大。5)损耗较大，效率较低。两电平拓扑结构图7三相两电平逆变拖动系统的示意图两电平拓扑结构图8 两电平SPWM调制波与线电压幅频特性及其谐波分析多电平电力电子变换器多电平电力电子变换器，简称多电平变换器。这种变换器正是为适应于集成系统的发展，为提高系统性能和适应性而提出来的。一般来说，多电平变换器具有更多的开关器件和较复杂的拓扑结构。上一节的两电平变换器拓扑特性分析也适用于多电平变换器。但是与两电平变换器拓扑不同，多电平变换器拓扑具有自己本身独有的特点。多电平变换器基础1)主电路中的每个开关器件承受一部分直流母线电压，可以采用较低耐压的器件组合来实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。2)由于电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形的畸变(THD减小)。3)可以较低的开关频率获得与高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波形，因而开关损耗较小，效率高。4)由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，变换器输出电压突变的台阶大大减小，使du/dt应力大大减小，在中、高压大电机驱动中，有效防止电机绕组绝缘击穿，同时改善了变换器装置的EMI特性。多电平变换器基础图10多电平变换器与电机集成系统示意图多电平变换器基础图11未经调制的五电平输出波形(线电压为九电平)多电平变换器基础图12采用调制的五电平输出波形(线电压为九电平)二极管钳位式多电平变换器1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下工作，开关损耗小，效率高。3)可控制无功功率流向。4)背靠背连接系统控制简单。1)需要较多钳位二极管。2)每桥臂内外侧功率器件的导通时间不同，造成负荷不一致。3)存在直流分压电容电压不平衡问题。二极管钳位式多电平变换器表1二极管钳位式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)3.4.2二极管钳位式多电平变换器图12两种二极管钳位式五电平变换器示意图(一个桥臂)二极管钳位式多电平变换器图13无时的漏电流匹配3.4.2二极管钳位式多电平变换器图14有时的漏电流匹配3.4.2二极管钳位式多电平变换器表2二极管钳位式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系电容悬浮式多电平变换器1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。3)可控无功和有功功率流，因而可用于高压直流输电和变频调速。4)大量的开关状态组合冗余，可用于电压平衡控制。1)需大量的钳位电容。2)用于纯无功负载时，存在悬浮电容电压的不平衡。3.4.3电容悬浮式多电平变换器图14电容悬浮式五电平变换器示意图(一个桥臂)电容悬浮式多电平变换器表3电容悬浮式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)(单位：“个”或“只”)表4电容悬浮式五电平变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系级联式多电平变换器 uaz1(Ud1=Ud2=E)；uaz2(Ud1=E,Ud2=2E)；uaz3(Ud1=E,Ud2=3E)。 用隔离电压极性相反串接得到所需的电平，在实际应用中一般不采用。1)直流电源电压难以平衡。2)直流电源有较突出的功率平衡问题(如13结构)。3)器件选型复杂。1)电平数越多，输出电压谐波含量越少。2)阶梯波调制时，器件在基频下开通关断，损耗小，效率高。3)无需钳位二极管或钳位电容，易于封装。4)基于低压小容量变换器级联的组成方式，技术成熟，易于模块化，较适于7或9电平及以上的多电平应用场合。5)易采用软开关技术。级联式多电平变换器6)不存在电容电压不平衡问题。1)需多个独立直流电源。2)不易实现四象限运行。3)所需开关器件较多，若采用U/f开环控制，低频时电平数减少，输出谐波增加。4)单元采用电解电容的可靠性差。级联式多电平变换器图15两个H桥级联的变换器示意图(一个桥臂)级联式多电平变换器表5级联式多电平变换器器件个数统计(一个桥臂)表6两个H桥级联的变换器一个桥臂输出电压与开关状态之间的关系图1612直流电源H桥级联图1713直流电源H桥级联表7三种直流电源模式下的输出电平数与开关器件数目比较多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图16Peng通用多电平拓扑结构多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图17简化出的三种拓扑多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图18二极管钳位型的三电平变换器瞬态换流过多电平统一变换拓扑及瞬态换流回路图18不考虑杂散参数的与实际变换器中的IGCT电压电流波形比较仿真