一种适用于大容量中点钳位型三电平逆变器的绝缘栅双极型晶体管吸收电路研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT),关断过压问题始终是设计者亟待解决的主要问题。单单依靠合理的多层复合母排设计不足以消除中点钳位型(neutral point clamped,NPC)三电平IGBT逆变器大换流路径杂散电感所引起的IGBT关断电压尖峰。因此,必须设计有效的IGBT吸收电路。该文将Undeland吸收电路在NPC三电平逆变器中进行扩展应用,结合NPC三电平逆变器运行模式,详细分析LRCD吸收电路工作原理。研究LRCD吸收电路与逆变器电路性能之间的定量关系与影响,给出了数学表达式,提出吸收电路参数设计原则。通过仿真与实验验证了分析与参数设计的正确性。将LRCD吸收电路成功应用于1.4MW级NPC三电平逆变器原理样机。研究结果表明,LRCD吸收电路在NPC三电平逆变器中实现了主开关器件IGBT和钳位二极管的"软"开通与"软"关断,通过对吸收参数的合理设计能够定量的控制主开关管的开通电流的变化率(di/dt)和关断电压的变化率(dv/dt),有效抑制开关器件的关断过压尖峰,优化开关管的瞬态特性。该吸收电路适合大容量NPC三电平IGBT逆变器应用。

适用于二极管钳位型三电平有源滤波器的母线电压数字控制方法

传统两电平有源电力滤波器(active power filter,APF)由干功率开关耐压水平和载流能力的限制,难以实现对高压大容量非线性负载的谐波补偿。在高压大容量系统中,二极管钳位型三电平变换器得到了广泛的应用。对三电平APF进行研究,提出一种母线电压闭环数字控制策略。在同步旋转dq坐标系下,将三电平APF母线电压控制系统分为电压外环和电流内环2部分。在电压外环中,采用自适应滤波器求出直流侧电压平均值,采用PI控制器产生有功指令电流维持直流侧电压恒定。在电流内环中,针对三电平APF直流侧中点电位不平衡问题,从空间矢量PWM调制方法的角度出发,对中点平衡问题进行仔细研究,提出一种简单的中点电压平衡控制策略,只需检测各相电流和中点电压波动的方向,对小矢量进行取舍实现APF中点电位平衡控制。实验结果表明了所提出算法的正确性和有效性。

有源中点钳位型三电平并网逆变器多目标优化预测控制

有源中点钳位型(ANPC)三电平变换器作为并网逆变器能够实现功率器件的热损耗平衡,适用于光伏发电系统。针对传统中点钳位型(NPC)三电平并网逆变器开关管发热不均衡等问题,本文提出一种ANPC三电平并网逆变器的多目标模型优化预测控制方法,基于三电平输出的开关状态需要遵循单位电平跳变的原则,剔除不符合跳变原则的开关状态,减少模型滚动优化的次数。针对开关管的发热不均衡问题,根据ANPC三电平并网逆变器的结构特点,通过对开关管的开通和关断损耗进行线性拟合,实时计算各开关管的功率损耗,把各开关管的不均衡损耗加入目标价值函数以实现不均衡损耗的最小化。最后通过ANPC三电平并网逆变器直接功率控制的实验结果验证了所提控制方法的正确性和有效性。

基于有源中点钳位五电平电路的双有源桥DC/DC变换器

采用多电平电路构建的双有源桥(dual active bridge,DAB)DC/DC变换器可适用于更高的电压等级并能显著地提高功率密度及性能。基于九开关管五电平有源中点钳位(five-level active neutral point clamed,5L ANPC)电路构建DAB变换器,消除传统的八开关管5L ANPC电路所存在的电平跳变问题。通过分析开关状态之间的切换过程,选取的零开关状态实现所有高压开关管的软开关运行;通过分析不同开关序列对飞跨电容电压和直流侧中点电压的影响,提出一种飞跨电容电压的平衡控制方法。基于1kW样机的实验结果表明,该文构建的5L ANPC DAB变换器获得了优良的性能。

考虑吸收电路的五电平有源中点钳位变频器电压过零切换策略

五电平有源中点钳位(five-level active-neutral-point-clamped,5L-ANPC)变频器拓扑结构简单,可直接通过公共直流母线供电,易于实现能量回馈,非常适合用于5~10 kV直流供电的船舶推进变频调速领域。简要介绍了5L-ANPC的主电路拓扑和工作原理,针对5L-ANPC拓扑杂散参数较大的四种换流回路,在兼顾可靠性及适装性前提下,设计了纯电容吸收电路。在上述基础上,分析了设置吸收电路后的5L-ANPC拓扑采用传统电压过零切换策略时存在的内开关管过压问题,并提出一种考虑吸收电路的切换策略,实现了输出电压过零器件安全切换,且避免了电压异常跳变。通过仿真和实验验证了所提考虑吸收电路的输出电压过零切换策略的有效性、正确性。

多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压方法

针对多电平有源中点钳位逆变器中串联绝缘栅双极型晶体管(IGBT)存在的不均压问题,提出一种串联IGBT的均压方法。对于多电平有源中点钳位逆变器的每个桥臂,采用单输入、多输出的隔离电源生成钳位电压,跨接在串联工作的IGBT上;同时,在施加钳位电压的位置上添加钳位电容,用于钳位电压的保持,最终实现串联IGBT的动静态均压。由于逆变器换流回路不经过钳位电容,隔离电源只需很小功率即可维持钳位电容电压稳定。所提方法简单可靠、均压精度高且易于工程实现,一方面取消了传统的无源缓冲电路,减少额外损耗的同时降低了成本,另一方面无须引入复杂的主动闭环控制,避免了闭环控制的稳定性问题。最后,通过有源中点钳位五电平逆变器样机对所提均压方法进行了实验验证。

三电平有源滤波器直流侧电压控制方法

建立了三电平有源滤波器数学模型并提出了其直流侧电压的闭环控制策略。在电压外环中采用PI控制维持直流侧电压恒定。在电流内环中,从空间矢量PWM调制方法的角度出发,对中点平衡问题进行了仔细研究,总结了各种空间矢量对中点电压平衡的影响。然后针对三电平APF,提出了一种简单的中点电压平衡控制策略。该方法只需检测各相电流和中点电压波动的方向,对小矢量进行取舍实现中点电压平衡控制。同时,并没有增加系统的开关损耗和输出电压的du/dt。仿真结果证明了这种控制策略的正确性。

三电平ANPC-DAB的零电压软开关特性与损耗均衡方法

采用多电平电路来构建双有源桥(dual active bridge,DAB)直流变换器可实现更高的电压等级与功率密度及更好的性能。基于半桥有源中点钳位型(active neutral point clamped,ANPC)三电平电路构建半桥ANPC-DAB电路,通过分析开关状态切换过程中零电压开通(zerovoltage switching,ZVS)的软开关特性,得出使全部12个开关管实现ZVS开通的条件。在此基础上,通过分析零电平开关状态对损耗分布的影响,提出一种能够有效改善开关管损耗分布的调制方法。为验证DAB的损耗分布及效率,对半桥ANPC-DAB建立损耗模型,对开关管的损耗分布及DAB的效率进行仿真分析。最后,通过1.5k W的实验样机完成实验验证。仿真与实验结果表明,所提出的调制方法在全部开关管实现ZVS的同时,有效地改善了功率器件的损耗分布。

IGCT器件NPC三电平变流器直流限流方法比较分析

集成门极换流晶闸管(IGCT)比GTO和HV-IGBT有更多的优势,被广泛应用于中压大功率传动系统中。在分析了中点钳位三电平逆变器拓扑结构和IGCT结构的基础上,讨论了IGCT逆变器缓冲电路的特点。以仿真的手段对比2种缓冲电路,对缓冲电路的不足提出了解决方案。