倾佳电子c技术深度分析：拓扑、原理与应用

倾佳电子高压级联技术深度分析：拓扑、原理与应用

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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第一部分：高压工程中的级联原理导论

A. 将“级联”定义为一种设计范式

在中文语境中，“高压级联技术”是一个涵盖性术语，而非指代单一的特定技术。其核心“级联”（Cascade）是一种工程设计范式，其根本目的是通过将多个低电压单元串联起来，以构建一个能够承受和控制更高总电压的系统。这一原理是高压工程的基石，因为它允许工程师绕过单个半导体器件或组件的固有电压限制。通过级联，系统得以实现模块化扩展、精确的电压分级以及在某些配置下的电压倍增。

B. 三个主要级联技术域的区分

对“高压级联”这一术语的深度研究必须首先厘清其在不同工程领域中的三种截然不同但均合法合理的实现方式。这三种方式在目标、拓扑和工作原理上有着本质区别：

域1：多电平功率变换（级联H桥, CHB） 此域主要关注中压（MV）功率变换，例如电机驱动或电网接口。其目的是利用多个级联的功率单元（通常是H桥）来合成一个高质量、低谐波、高电压的交流（AC）波形。其核心是功率流控制和谐波抑制 。

域2：高压直流倍压（Cockcroft-Walton, CW） 此域关注高压直流（DC）的产生。它使用二极管和电容器组成的级联“梯形”网络，将一个低压AC输入“泵”升至极高的稳定DC电压输出。其核心是电压倍增 。

域3：高压脉冲产生（Marx发生器） 此域关注高功率瞬态脉冲的生成。它采用“并联充电，串联放电”的级联原理，在纳秒或微秒级别内将多个电容器的储能叠加，以创造一个瞬时的高压巨脉冲。其核心是能量的瞬时叠加 。

C. 报告结构与目标

本报告旨在为具备专业背景的读者提供一份详尽的技术评估。报告将分为独立的部分，依次深入剖析上述三个技术域。我们将解构每种技术的拓扑结构、核心工作原理、先进控制策略、关键应用以及最新的技术进展。最后，报告将对这些技术进行横向比较，揭示它们之间的协同关系，并对高压级联技术的未来发展趋势进行展望。

第二部分：用于中压功率变换的级联H桥（CHB）多电平逆变器

级联H桥（Cascaded H-Bridge, CHB）多电平逆变器是中压功率变换领域的主流拓扑之一。

A. 基本原理与拓扑结构

1. 构件：H桥“功率单元” CHB拓扑的基本构件是标准的单相全桥（或H桥）逆变器，它通常被称为“功率单元”（Power Cell）。每个功率单元由一个独立的直流电压源供电。通过控制其内部的四个开关，每个单元可以产生三个离散的输出电压电平：+Vdc​（直流源电压）、0（通过短路上下桥臂实现）和$-V_{dc}$ 。

2. 串联扩展与电压合成原理 CHB拓扑通过将 N 个这样的H桥功率单元在交流侧串联而构成 。该相的总输出电压（例如A相的相电压）是其串联的所有 N 个单元输出电压的代数和 。

通过对每个单元的输出（+Vdc​, 0, −Vdc​）进行组合，系统能够合成一个多电平的阶梯状波形 。对于一个由 N 个单元组成的CHB逆变器，其输出电压电平数 m 为 m=2N+1 。例如，一个由2个H桥级联的系统（N=2）可以产生 2×2+1=5 个电平：−2Vdc​、−Vdc​、0、+Vdc​、+2Vdc​ 。

3. 关键特性与设计约束

模块化 (Modularity): 该拓扑具有高度的模块化特性，因为它由完全相同的功率单元重复堆叠而成 。

高电能质量: 输出的“阶梯波”极大地逼近了理想的正弦波，从而显著降低了总谐波失真（THD）和开关应力（dv/dt）。

关键约束：隔离直流源 (SDCSs): CHB拓扑最根本的设计约束是，每一个 H桥功率单元都必须由一个与其他单元相互电隔离的直流电源供电 。

B. 工程合理性分析

CHB拓扑在中压（MV）应用中占据主导地位，其根本驱动力并不仅仅是低THD，而是它巧妙地解决了一个高压电力电子的根本难题。

在高压应用中（例如 4.16 kV 至 13.8 kV），直接使用高压半导体器件（如高压IGBT）面临巨大挑战。若将这些高压器件直接串联，则必须解决复杂的动态和静态均压问题，这会显著增加控制复杂性和成本，并降低系统可靠性。

CHB拓扑则提供了一种截然不同的思路 。它避免了器件的直接串联，转而采用完整功率单元的串联。系统总电压被分配到 N 个单元上，每个单元仅承受总电压的一小部分（例如，在一个 6.6 kV 的系统中，每个单元可能仅处理 900V 电压）。

这种设计使得整个中压系统可以使用成熟、廉价、高可靠性的低压半导体器件（如标准的 1700V IGBT）来构建 。因此，CHB的模块化 不仅是为了扩展性，更是一种核心的工程策略，旨在利用低压器件的规模经济效应和高可靠性，来规避高压器件串联的固有难题。

C. 多电平拓扑的横向比较

CHB是三种“经典”多电平逆变器（MLI）拓扑之一，另两种是中点钳位型（NPC）和飞跨电容型（FC）。理解CHB的优势必须通过对比：

直流源需求: NPC和FC拓扑仅需一个单一的主直流母线 。而CHB需要 N 个相互隔离的直流源，这是其主要的应用门槛 。

无源元件: NPC需要大量的钳位二极管；FC需要大量的“飞跨”电容器。CHB拓扑本身则不需要这两种元件 。

电压平衡问题: NPC面临二极管损耗问题；FC则面临一个极其复杂的主动电容电压平衡问题（需要复杂的控制算法来维持所有飞跨电容的电压）。CHB没有这种主动平衡问题，其直流侧电容仅作为能量缓冲（被动），而非电平生成的关键 。

升压能力: CHB具备天然的电压提升能力，而NPC和FC不具备 。

为了量化这些设计权衡，下表（基于 中的数据）对一个示例性系统进行了比较：

对比指标	NPC	FC	CHB
直流源数量	1	1	N (例如 4)
主功率开关数	16	16	16
电容数量	8	9	0 (仅直流环节)
二极管数量	14 (钳位)	0	0
升压能力	无	无	有
电容电压平衡	主动	主动	被动

此表的分析清晰地表明了工程上的权衡：选择CHB的“代价”是必须提供 N 个隔离电源。而其“回报”是极简的功率电路（没有钳位二极管或飞跨电容）和简化的控制（没有复杂的主动电容平衡算法）。这解释了为何在能够低成本提供隔离电源（如使用多绕组变压器）或隔离电源天然存在（如光伏）的场合，CHB成为首选。

D. 先进控制与调制策略

CHB系统的控制是一个多输入多输出（MIMO）的复杂问题，其控制架构通常是分层的。

1. 调制策略 (波形生成) 调制策略负责产生高频开关信号以合成所需的低频（如 50/60 Hz）正弦波。

载波相移PWM (PS-PWM): 这是CHB最主流的调制方法 。它为 N 个单元中的每一个都分配一个相同频率和相同幅度的三角载波 。关键在于，这 N 个载波在时间上相互相位平移，通常相移角度为 N180∘​。

PS-PWM的优势:

谐波对消: 它使得CHB总输出的等效开关频率变为单个单元开关频率的 N 倍（N×fsw​）。这能有效地将主要谐波推高到极高频率，使得输出滤波器非常小或甚至不需要 。

损耗均衡: 该策略天然地将开关损耗均匀分布到所有 N 个功率单元上，这对于系统的热管理、延长器件寿命至关重要 。

其他策略: 还包括电平移位PWM (LS-PWM) 和特定谐波消除 (SHE)，后者通过优化开关角度来消除特定的低次谐波 。

2. 控制策略 (系统调节): 直流侧电压均衡 尽管CHB没有FC拓扑那样的“飞跨电容”平衡问题，但它仍必须确保每个单元的直流侧电容电压保持稳定和一致，以防止能量不平衡 。一套先进的控制方案 将此问题分解为两个层面：

“垂直均衡” (Vertical Balancing): 调节同一相内各个单元之间的电压均衡。这通常通过一个快速的内环PI控制器 实现，该控制器轻微调整该单元的调制波（或相移），以控制流入或流出该单元的微小有功功率，从而精确控制其直流侧电容电压 。

“水平均衡” (Horizontal Balancing): 调节三相之间的平均能量均衡。在负载不平衡或三相电源不对称的情况下，需要一个较慢的外环控制器。该控制器通过注入一个零序（共模）电压，在三相之间主动转移有功功率，以确保三相的平均直流电压保持一致 。

综上所述，CHB的控制系统是一个精巧的层级结构：PS-PWM（第一层）作为执行器，负责瞬时波形合成；垂直均衡（第二层）作为快速内环，确保相内单元的健康；水平均衡（第三层）作为慢速外环，确保整个系统的稳定。

E. 关键设计与可靠性考量

CHB拓扑的可靠性在很大程度上取决于其绝缘设计，因为该拓扑的本质是让大量功率单元“浮动”在不同的高电位上。

1. 核心挑战：绝缘 系统必须在三个层面实现严苛的电隔离 ：

功率隔离: N 个独立的直流电源 。

控制隔离: 栅极驱动信号必须从地电位安全地传输到每个浮动的H桥 。

传感隔离: 必须从每个浮动的单元上精确采回电压和电流信号 。

2. 物理绝缘设计 绝缘失效是CHB系统的主要故障模式。因此，物理布局设计至关重要，必须严格遵守爬电距离（Creepage，沿绝缘表面的最短距离）和电气间隙（Clearance，通过空气的最短距离）的标准 。不当的设计会导致局部电场强度过高，引发离子迁移和电晕放电，最终导致绝缘过早击穿 。

3. 高级解决方案：全光纤隔离 在MV环境中，存在极强的电磁干扰（EMI）和共模瞬态（CMTI）。传统的隔离方式（如脉冲变压器或光耦）可能难以应对。

一种更优越且更鲁棒的解决方案是采用全光纤隔离 。这涉及使用非导电的光纤来传输所有信号：

栅极驱动: 通过光纤发送PWM控制命令。

传感反馈: 采用光纤电流传感器（FOCS）等技术，在光学域进行测量。

这种“全光”方案提供了近乎完美的电气隔离，完全免疫EMI，极大地提高了系统可靠性，并降低了人员操作的危险 。

F. 核心应用领域

1. 中压（MV）电机驱动器（VFDs） 这是CHB拓扑最主要、最成熟的商业应用 。其近乎正弦波的输出质量（低THD和低dv/dt）对电机极为友好，可减少电机绝缘层和轴承的电应力，且通常不需要额外的输出滤波器 。

此外，CHB的冗余性是其在关键工业流程中（如石化、采矿）的巨大优势。系统可以被设计为在某个功率单元发生故障时，自动将其旁路（Bypass），并在降额模式下继续运行，避免了代价高昂的非计划停机 。

2. 商业实例：西门子 (Innomotics) PERFECT HARMONY (Robicon) 西门子的PERFECT HARMONY系列驱动器（现属Innomotics）是CHB拓扑商业化的典范 。

隔离电源的实现: 它们通过一个大型的移相多绕组输入变压器来完美解决隔离直流源（SDCSs）的需求 。

输入谐波: 该变压器的多绕组（例如24脉冲或更多）和移相特性，还额外带来了极低输入电流谐波的优点，对电网非常友好 。

规格: 该系列产品覆盖了极宽的功率范围（高达 25 MW）和电压等级（高达 11 kV 甚至 13.8 kV）。

3. 可再生能源并网（光伏） 如果说MV驱动是CHB的强制应用（依赖变压器），那么光伏（PV）应用则是CHB的天作之合。

CHB拓扑的主要缺点是需要 N 个隔离直流源 。然而，一个大型光伏电站天然就是由 N 个相互独立的光伏组串构成的 。

这种拓扑协同性带来了巨大优势：

消除变压器: 根本不需要MV驱动中那种笨重、昂贵、低频的移相变压器 。

分布式MPPT: 每个H桥单元可以为其所连接的单个光伏组串执行独立的最大功率点跟踪（MPPT）。这完美解决了光伏电站中常见的“部分遮挡”问题——传统集中式逆变器中，一个被遮挡的组串会拉低整个阵列的效率，而CHB-PV系统则不会 。

此外，CHB的快速动态响应使其非常适合用于构网型（Grid-Forming）逆变器，能够为弱电网提供惯量和电压支撑 。

4. 固态变压器（SST）/ 电力电子变压器（PET） CHB架构是实现固态变压器的关键技术之一 。在SST中，CHB用于在高压侧接口，将直流环节电压转换为中压交流。一种设计采用高频链（HF Link）变压器来产生隔离直流源，以替代工频变压器，大幅缩小体积 。美国ARPA-E的一个项目（）展示了一台基于多电平逆变器（很可能是CHB）和宽禁带器件的 100-kW、12.47 kV SST，实现了 99% 的惊人效率。

G. 技术前沿：宽禁带（WBG）半导体的影响

碳化硅（SiC）宽禁带（WBG）半导体正深刻地重塑CHB拓扑的未来 。它们提供比传统硅（Si）器件更低的开关损耗、更高的工作频率和更高的温度耐受性。

德州仪器（TI）的一项分析 量化了这种优势：

器件类型	开关频率	功率密度	效率
IGBT (Si)	20 kHz	73 W/in³	98.3%
SiC	100 kHz	170 W/in³	98.9%

WBG对CHB的影响是微妙且双向的：

SiC（挑战者）: SiC器件可在高得多的阻断电压（如 3.3 kV, 6.5 kV）下商用。这挑战了CHB的传统逻辑。工程师现在可以考虑使用更少的电平（例如3电平NPC）和更高电压的SiC器件来构建MV系统，而不是使用更多电平的低压Si-CHB。

结论是，SiC技术可能导致CHB的电平数减少，电平性能更优（更高效率、更高密度）。

第三部分：级联型高压脉冲功率发生器（Marx发生器）

Marx发生器是高压脉冲功率领域最经典的级联拓扑。

A. 工作原理与电路分析

Marx发生器的核心原理是“并联充电，串联放电” (parallel charging, series discharging) 。

充电阶段: N 个电容器（C）通过高阻值的充电电阻（RC）并联连接到一个直流高压源上，被缓慢充电至电压 VC​。在此阶段，作为开关的火花间隙（Spark Gaps）处于断开状态，彼此隔离 。

放电阶段 (Erection): 当第一个火花间隙被触发（击穿）时，它会引起电位突变，导致后续所有火花间隙几乎同时发生雪崩式击穿（闭合）。这一动作在瞬时（通常是纳秒级）重新配置了电路，使所有 N 个电容器串联起来 。

脉冲输出: 负载被连接在串联电容链的总两端。因此，负载上会承受一个理论峰值电压为 N×VC​ 的极高电压脉冲 。

Marx发生器的目的是从一个相对低压的直流电源，产生一个电压高达数兆伏（MV）的瞬时脉冲 。

B. 拓扑演进：从火花间隙到固态

经典Marx发生器: 使用火花间隙作为开关 。优点是结构简单、成本低、极其鲁棒，能承受巨大瞬时电流和电压。缺点是“一次性”或低重复频率（≤1Hz），电极腐蚀导致维护量大，且脉冲波形质量差 。

固态Marx发生器 (SSMG): 随着半导体技术的发展，火花间隙被固态开关（如IGBT、MOSFET或晶闸管）所取代 。SSMG的优势是革命性的：可实现极高的脉冲重复频率（kHz级别）、灵活可控的脉冲宽度和幅度、极长的使用寿命和高紧凑性 。

C. 应用与操作考量

科学研究:

粒子加速器: 作为高功率速调管（Klystron）的脉冲电源，或作为注入/引出系统的“冲击器”（Kicker）。美国桑迪亚国家实验室的Z机器（Z Machine）使用36个Marx发生器阵列进行惯性约束聚变研究 。

高压测试: 模拟雷电冲击，用于测试大型电力变压器、绝缘子等电力设备的绝缘性能 。

军事与民用:

军事: 用于驱动高功率微波（HPM）武器和模拟核电磁脉冲（EMP）环境 。

民用: 脉冲电场（PEF）技术。利用高压脉冲对细胞进行电穿孔，广泛用于食品杀菌和加工（例如土豆切割前的预处理）。

D. 深度辨析：Marx vs. CHB (时域级联 vs. 空间级联)

Marx和CHB虽然都用了“级联”一词，但其物理含义截然不同。CHB的级联是空间域的，而Marx的级联是时域的。

CHB的 N 个单元串联是永久性的，在电路物理布局上固定不变 。其目的是连续地合成一个AC波形。

Marx的 N 个电容串联是瞬时性的，仅在放电的微秒内存在 。其目的是在瞬时释放总储能 (N×21​CV2)。

混淆这二者是常见的概念错误。CHB是功率变换器，关注稳态的功率流控制；Marx是脉冲发生器，关注瞬态的能量释放。

第四部分：级联型直流高压倍压器（Cockcroft-Walton）

Cockcroft-Walton（CW）发生器，或称CW倍压器，是高压直流生成的经典级联电路。

A. 工作原理与电路分析

核心拓扑: CW电路是一种由二极管和电容器交错排列组成的“梯形”级联倍压器 。

组件: 仅需二极管和电容器两种无源器件 。

工作原理：“电荷泵” (Charge Pump) 。

CW电路由一个低压AC（或脉动DC）源驱动 。

其工作可视为一个多级“泵”送电荷的过程：

在AC输入的负半周期，D1导通，C1被充电至AC峰值电压 Vpeak​ 。

在AC输入的正半周期，输入电压 Vpeak​ 与C1上的电压 Vpeak​ 叠加，这个 2Vpeak​ 的电压通过D2给C2充电 。

下一个周期，C1的电压又会给C3充电，C2的电压会给C4充电……

电荷在梯形网络中逐级被“泵”送到更高的电位 。

输出: 在梯形网络的顶端，输出一个高压直流。对于一个 n 级（每级包含两个二极管和两个电容）的CW电路，其理想空载输出电压为 Vout​=2n×Vpeak​ 。

局限性: CW电路虽然结构简单、成本低廉，但只能提供极低的输出电流 。一旦带上负载，电容器会在周期内放电，导致输出电压显著下降（Voltage Droop）并产生较大的纹波（Ripple）。

B. 应用与系统集成

科学研究:

粒子加速器: 这是CW电路的原始应用。1932年，Cockcroft和Walton正是使用该电路为其粒子加速器供电，并首次实现了人工核反应，并因此获得诺贝尔奖 。

商业与工业应用:

医用X射线发生器: 这是CW电路当今最主要的应用之一。X射线管（X-ray Tube）需要一个高且稳定的直流电压（通常在 60 kV 至 450 kV 范围）来加速电子 。CW倍压器是实现这一目标的理想选择。

其他: 实验室高压电源、激光打印机内的静电鼓充电、静电除尘等 。

C. 深度辨析：CW vs. Marx (直流电源 vs. 脉冲发生器)

CW和Marx是功能完全相反的两种级联电路 ：

CW发生器: AC输入 → 稳定DC输出。它是一个直流电源，设计用于连续工作（虽然是低电流）。

Marx发生器: DC输入 → 脉冲输出。它是一个脉冲发生器，设计用于瞬态工作 。

第五部分：比较分析与结论

A. 三种级联原理的总结

本报告深入分析了“高压级联”概念下的三种核心技术，总结如下：

CHB（级联H桥）:

原理: 功率合成。

拓扑: N 个隔离的DC/AC功率单元空间串联。

目标: 合成高质量、可控的中压AC波形。

关键词: 模块化、功率控制、低THD、中压。

Marx（Marx发生器）:

原理: 脉冲生成。

拓扑: N 个电容通过开关从并联重构为串联（时域级联）。

目标: 释放总储能，产生瞬时高压脉冲。

关键词: 瞬态、能量释放、脉冲功率、高压。

CW（Cockcroft-Walton）:

原理: 直流倍压。

拓扑: N 级二极管-电容“梯形”网络。

目标: 从低压AC源“泵”送电荷，产生稳定高压DC。

关键词: 电荷泵、直流电源、低电流、高压。

B. 协同应用分析：CW + Marx

本报告的分析最终导向一个关键的系统集成协同点：CW发生器（第四部分）和Marx发生器（第三部分）经常被组合使用 。

这种协同应用的逻辑链如下：

Marx发生器（域3）需要一个高压直流电源来为其 N 个并联的电容器充电 。这个充电电压通常在 10 kV 到 100 kV 级别。

直接购买或制造一个 100 kV 的直流电源是昂贵且笨重的 。

CW倍压器（域2）提供了一种极其廉价、轻便且紧凑的方案，它可以从标准的市电（如 110V 或 220V AC）输入，产生所需的 10-100 kV 高压直流 。

Marx发生器的充电过程电流很小（因为它通过高阻电阻缓慢充电），这完美契合了CW倍压器“高电压、低电流”的输出特性 。

因此， 构成了一个完整、高效且低成本的紧凑型高压脉冲系统 。

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：
倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：
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C. 未来趋势与总结

CHB领域: 未来的发展将由宽禁带半导体（特别是GaN）驱动，向 >99% 的超高效率 和更高的功率密度迈进。它在构网型储能系统 和固态变压器 中的应用将成为电网现代化的关键。

Marx/CW领域: 发展趋势是从火花间隙向全固态（SSMG）的彻底转变 。这使得高重复频率的脉冲功率成为可能，从而在医学、生物工程和先进材料处理等领域开辟了全新的应用 。

结论： “高压级联技术”并非单一技术，而是电力电子学中一个强大且灵活的设计思想。这一思想通过三种不同的拓扑实现，分别解决了三个核心的工程问题：（1）利用低压器件实现对中压功率流的精确控制（CHB）；（2）利用简单器件实现高压直流的稳定生成（CW）；以及（3）利用储能重构实现瞬态高压脉冲的极端释放（Marx）。对这三种技术的深入理解是掌握现代高压电力电子应用的关键。

审核编辑 黄宇