新型三电平变换器调制策略研究与功率损耗分析

摘要

近年来，新能源行业得到了大力发展，三电平变换器在功率变换领域得到广泛应用。本文在Vienna型三电平拓扑的基础上推演出一种可以进行能量双向流动的新型三电平拓扑。以该新型三电平拓扑为研究对象，对调制策略实现、中点电位平衡、过调制策略和功率损耗等问题进行了研究。 文中分析了传统Vienna型拓扑的特点，在此基础上推演出新型三电平拓扑。详细研究该新型拓扑的工作状态，分析其工作模态和换流过程。对比传统三电平拓扑，总结出该新型三电平拓扑的特点和优势，将该拓扑用作低压领域的逆变器。 本文研究了断续脉宽调制（Discontinuous Pulse Width Modulation，DPWM）策略，DPWM策略在一个调制周期内可以使输出电压在某一区间内钳位在特定电平，从而使开关器件不动作，通过降低开关损耗提高变换器的效率。根据钳位区间的不同，DPWM策略可以分为八种，分析不同DPWM策略的特点，针对基于空间电压矢量实现调制比较复杂的问题，采用载波脉宽调制实现了每种DPWM策略，简化调制算法，便于工程应用。对比分析不同DPWM策略的共模电压和电流谐波，分析结果表明DPWMA具有共模电压低、输出电流质量好等优势，能够较好实现新型三电平变换器的调制。针对三电平变换器存在的直流侧中点电位不平衡问题，研究不同基矢量对中点电位的影响，采用两种对中点电位有相反影响的DPWM策略进切换的方法来控制中点电位。为了进一步提高直流侧电压利用率，采用了一种基于载波实现的过调制策略。 对该新型三电平变换器进行功率损耗分析，研究了开关器件产生损耗的机理，根据开关器件的数据手册，通过拟合得到开关器件的损耗模型。分析新型三电平变换器的换流路径，得到在一个调制周期内变换器各个开关器件的损耗情况，建立新型三电平变换器在不同调制策略下的损耗计算模型。基于建立的损耗计算模型研究变换器在不同情况下的功率损耗，通过对比分析计算结果，验证了采用DPWMA策略可以有效降低新型三电平变换器的功率损耗。 搭建以DSP+FPGA为控制器的新型三电平变换器实验平台，基于实验平台验证本文所研究新型拓扑和调制策略的有效性以及功率损耗模型的准确性。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 变换器拓扑结构研究现状

1.2.2 变换器调制策略研究现状

1.2.3 变换器功率损耗研究现状

1.3本文主要研究内容

2 新型三电平变换器拓扑研究

2.1新型三电平变换器拓扑推演

2.2新型三电平变换器工作原理分析

2.3新型三电平变换器仿真验证

2.4 新型三电平变换器特点分析

2.5本章小结

3 断续脉宽调制策略研究

3.1 断续脉宽调制的原理和分类

3.1.1 DPWM的工作原理

3.1.2 DPWM的种类

3.2 断续脉宽调制的实现

3.3断续脉宽调制的性能分析

3.3.1 共模电压分析

3.3.2 输出电流谐波特性分析

3.4断续脉宽调制的中点电位平衡控制

3.4.1 基矢量对中点电位的影响

3.4.2 滞环切换控制

3.4.3 仿真分析

3.5 断续脉宽调制的过调制策略

3.5.1 过调制区域划分

3.5.2 过调制策略的实现

3.5.3 仿真分析

3.6本章小结

4 新型三电平变换器功率损耗研究

4.1开关器件的损耗机理

4.1.1 IGBT开关过程

4.1.2 二极管开关过程

4.2 开关器件的损耗模型

4.2.1 IGBT损耗模型

4.2.2 二极管损耗模型

4.3新型三电平变换器损耗模型

4.3.1 换流情况分析

4.3.2 损耗模型建立

4.4 功率损耗对比分析

4.4.1 IGBT和二极管参数拟合

4.4.2 损耗情况分析

4.5本章小结

5 新型三电平变换器实验验证

5.1 新型三电平变换器实验平台设计

5.2系统软件设计

5.3实验结果分析

5.3.1 新型三电平变换器调制性能实验分析

5.3.2 基于载波实现DPWM策略实验分析

5.3.3 DPWMA调制实验分析

5.3.4 DPWMA功率损耗实验分析

5.4本章小结

6 结论与展望

参考文献

作者简历

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