1. 级联式直流变换器——一种适用于高压应用的直流变换器级联式直流变换器——一种适用于高压应用的直流变换器 谢少军 南京航空航天大学自动化学院

2. 主要内容 • 引言 • 级联式直流变换器 • 输入并联的级联式变换器 • 级联式变换器应用实例 • 结论

3. 三电平背景 随着电力电子技术的发展，为了减小对工频电网的污染，人们对电能变换器的要求越来越高，特别是“绿色”电源技术的提出,要求电能变换装置具有高输入功率因数，因此必须采用功率因数校正技术。三相PFC变换器的输出电压一般为760-800V左右，有的甚至高达1000V，这就要求提高后级直流变换器开关管的电压定额。为了降低后级直流变换器开关管的电压应力，1992年 J.Renes Pinheiro提出了零电压开关三电平直流变换器。

4. 三电平直流变换器 半桥三电平直流变换器 全桥三电平直流变换器

5. 三电平问题 三电平直流变换器的核心是通过采用分压电容和箝位二极管并保证一定开关时序的条件下实现功率管承受的电压为输入直流电压的一半。 其存在的问题： （1）增加了分压电容和箝位二极管，使电路复杂，成本增加 （2）必须采取较复杂的控制以实现功率管的三电平开关 （3）必须采取措施确保分压电容的电压的均衡

6. 级联式直流变换器 零电压零电流复合式全桥级联变换器 半桥级联变换器

7. 级联式直流变换器 与三电平直流变换器试将普通二电平变换器中的功率开关用三电平开关单元代替不一样，它实际上是二个通常的二电平直流变换器的串联叠加。 由于串联电路的输出电流相同，只要做到二个变换器的输出电压相等，就可以做到变换器的功率均分保证二个变换器的输入电压相等。 每个功率器件的开关应力相同，为直流侧输入电压的一半。

8. 级联式直流变换器控制的两种方式 • 每个变换器采用独立的PWM（或移相PWM）控制，电压给定采用同一个给定值。 • 仅用一套控制电路，控制电路的每一输出信号分别送到二个不同变换器的对应功率管，这种控制方式下，只要每台变换器参数基本一致，即可保证每台变换器输出电压基本相等。

9. 级联式直流变换器特点 ①电路结构简单，不需要采用箝位二极管。 ②控制简便，不需要考虑开关时序和电容电压均衡 ③副边整流二极管电压应力为三电平变换器的一半。 ④是一种模块化的结构,由二个相同的电路构成，一 个大功率的变换器分成了二个容量较小的变换器，设 计变得简单。 ⑤可以N个变换器级联，功率器件电压应力为输入电 压的1/N。

10. 级联全桥ZVS变换器

11. 级联全桥ZVS变换器

12. 输入并联的级联式变换器 输入并联，输出串联的 四路双管正激变换器的级联

13. 输入并联的级联式变换器 这种级联方式可以在减小变压器副边整流和续流二极管电压应力的情况下，提高输出电压。如并联交错双管正激变换器，若共用续流二极管，整流管的电压应力为变压器副边电压的2倍。但若采取级联方案后，整流管的电压应力可降低（因为变压器副边电压降低了一倍）。在需要高输出电压的场合具有实用意义。 输入并联的电路结构在采用适当控制技术后，可以减小输入电流脉动，减小输入电容的容量，进而减小前级整流电路的电流畸变，提高功率因数，如采用交错控制，每组变换器的控制信号相位差为2π/N，输入电流脉动频率为开关频率的N倍。

14. 级联式变换器应用实例 某型6KW飞机电源变换器，输入为400Hz，115V三相四线，输出为360V直流，采用二个输出为180V的并联交错双管正激变换器级联。整流管耐压只需600V，输入电流总谐波含量在不采取其它任何措施的条件下小于15%，对飞机电网的影响很小。 某80KVA地铁辅助逆变器（级联逆变器与级联直流变换器的区别仅在于功率管的控制规律不一样），输入电压为1500V±20%，采用二个三相桥在输入侧串联叠加，功率管的电压定额只需取为1700V。 采用分立直流电源的级联式逆变器方案在高压大功率传动和有源滤波器等领域已得到工程应用。

15. 结论 本文阐述了级联式直流变换器的概念，这是一种具有重要实用意义的直流变换器方案，相比于三电平直流变换器（或多电平直流变换器）具有电路简单，控制简便，模块化程度高等特点，有明显优势。

16. 级联式直流变换器 谢 谢 大 家 ！