中高压电力电子变压器拓扑结构及控制应用综述 III

3.3 钳位多层拓扑

图中所示为中点钳位（NPC）多电平拓扑结构。除了二极管钳位NPC拓扑结构外，NPC拓扑结构还包括飞跨电容型和混合钳位型等。然而，由于电容体积较大，NPC拓扑结构目前大多仍采用被动或主动开关器件进行钳位。以二极管钳位多电平拓扑结构为例，在三相整流器级拓扑结构中，每一相桥臂均由级联的开关晶体管和钳位二极管组成，并联连接至同一高压直流母线。文献提出了一种采用四电平二极管钳位电路的单相PET拓扑结构，其整流器级采用四电平二极管钳位电路。如图所示，单个高压直流母线后接有输入-串联-输出-并联的二极管阵列（DAB）。该拓扑结构可以扩展为三相结构，并且可以根据器件的耐压等级和高压侧电压等级来改变电压等级的数量。与MMC拓扑结构类似，NPC拓扑结构也可应用于隔离级，将高压直流母线连接到…… 隔离变压器如图所示，文献将三电平二极管钳位NPC变换器应用于LLC谐振变换器的高压侧，并在166kW/2kV~400V样机上进行了验证。文献还将三电平二极管钳位NPC电路应用于三相DAB，实现了理想的DAB电压和电流特性。

当NPC拓扑用作整流级时，无需隔离直流母线，从而减少了隔离级变压器的数量。此外，在三相结构中，母线上不存在双倍工频电压纹波。然而，由于钳位拓扑需要大量的钳位器件，钳位器件的数量会随着级数的增加而增加，导致级数扩展困难，冗余难以实现。在控制方面，流入NPC变换器各母线电容的电流不同，会导致电容电压不平衡。对于三级以上的NPC拓扑，目前尚无有效的电压平衡算法。此外，桥臂内外开关动作时间的不一致会导致发热不均匀，这只能通过改变整体电路拓扑结构来解决。

由于电平扩展带来的诸多困难，NPC拓扑结构只能通过器件串联或使用高压SiC器件应用于中/高压电平。然而，在较低电压电平下，与单H桥拓扑结构相比，三电平NPC结构每个开关晶体管的耐压和电压应力仅为后者的一半，同时输出更多电压电平，从而降低了输出滤波要求。因此，它作为PET低压侧的逆变器级具有显著的应用优势。例如，文献中曾使用三电平二极管钳位NPC作为PET的逆变器级驱动三相电机，并通过实验验证获得了良好的电机驱动性能和噪声性能。