工业三相整流变换拓扑性能对比(四):FC架构工作原理概述

5.1 电平状态

飞跨电容三电平拓扑是通过跨接电容来实现多电平电压的。在飞跨电容三电平逆变器中,每一相都可以通过特定的开关组合来输出不同的电平状态。以单相为例说明如下:

P状态:当逆变器工作于P状态时,开关S1、S2闭合、S3、S4断开,此时输出为直流母线电压Vdc。

N状态:当逆变器工作于N状态时,开关S3、S4闭合,S1、S2断开,此时输出0。

比较复杂的是0状态,FC拓扑0状态有两种工作状态: 0A状态时,开关S1、S3闭合,S2和S4闭合;0B状态时,开关S2、S4闭合而S1、S3断开。

5.2 飞跨电容电压维持

与DNPC、ANPC、TNPC不同的是,FC拓扑需要维持飞跨电容的电压为Vdc/2。

  1. FC拓扑每相飞跨电容上初始电压为0,若按常规的利用IGBT的续流二极管进行整流为直流母线电压充电后,直接输出PWM脉冲。则母线电压Vdc可将有可能直接加在单只IGBT两端(如S1闭合,而飞跨电容电压为0,则S4两端电压则是整个直流电压),这将使得IGBT由于承受全母线电压Vdc而被击穿。因此FC拓扑的预充电过程与DNPC等略有不同:
    预充电刚启动时,可将S1/S4闭合,此时飞跨电容与直流母线电容两通,此时电网通过预充电电阻同时为飞跨电容与直流母线电容充电。当检测到充电电压到了Vdc/2之后,断开S1/S4。此时预充电电容继续为直流母线电容充电,直到直流母线电压稳定,再启动充电过程使直流母线电压至Vdc。
  2. 在运行过程实现对飞跨电容电压的维持,则需要依赖0A、0B两种0状态的时间分配。如下表所示:

当变流器工作在P状态或N状态时,没有电流流经飞跨电容 ,则对飞跨电容电压没有影响。

以电流流出逆变器为正方向,当逆变器工作在0A状态时,若电流为正,则对飞跨电容进行充电,反之若电流为负,则对飞跨电容放电。

当逆变器工作在0B状态时,若电流为正,则对飞跨电容进行放电,若电流为负,则对飞跨电容进行充电。

由于飞跨电容器一旦被充电到合适的电压后,就需要它们在下半个开关周期时间内充当一种"电压源"、从而提供额外的电平。此类电容器必须保持恒定电压并暴露在高纹波电流和开关频率下。由于飞跨电容在每个开关周期就会完成一次充放电循环,其所需容值并不高,通常为微法级,这也使其更适宜选用薄膜电容。

而DNPC的中点电压平衡是由主要三相合成电流决定的,而三相电流属于低频分量,通常选用大容量的电解电容。

5.3 应用场景(三相四线)

FC拓扑如应用在三相四线场景,可采用三相三桥臂+分裂电容或三相四桥臂拓扑。

三相三桥臂+分裂电容方案:由于中性点电流需流过电容,要求电容容量很大;而很明显的三相四桥臂需要增加一个桥臂,因此从成本角度看,FC拓扑并不适用于三相四线场景。

5.4 其余特点

与DNPC、ANPC、TNPC相比,FC拓扑由于使用的开关器件少,电压低,因此其导通损耗会有小幅下降。

此外,FC拓扑是多电平经典拓展架构,三电平可比较轻松拓展到五电平、七电平等,只需增加飞跨电容与开关,拓扑规律统一。因此,在高压大功率多电平场合FC拓展性更佳。

最后,与DNPC、ANPC相比,FC拓扑单一固定换流通道,寄生参数统一,一套双脉冲试验即可验证开关损耗、尖峰特性。因此,双脉冲验证更加的简单。

然而,FC拓扑也有诸多固有缺陷,其中最为显著的是引入了飞跨电容这一无源器件,这给装置尺寸与布局设计带了许多麻烦;同时,为了维持飞跨电容的直流电压稳定,控制算法的复杂度也大幅提升。

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