基于混合钳位型五电平拓扑的研究与设计

近年来,多电平技术成为电力电子技术在中高压大功率应用领域中研究的热点,其中二极管钳位型和级联型多电平拓扑的应用较为广泛。二极管钳位型拓扑受制于直流母线电容电压不平衡的问题,一直无法在五电平及五电平以上的变流器中推广应用。 混合钳位型拓扑的提出,可以解决直流母线电容电压的平衡问题,该拓扑以悬浮电容为中间媒介,通过悬浮电容与直流母线电容间的并联来实现直流母线电容的电压平衡,不需要复杂的控制方法,不受负载特性影响。 本文基于混合钳位型拓扑展开分析、研究和设计。 本文从电路合成的角度重新分析混合钳位型拓扑的电路结构和工作原理,并简单介绍了电容电压平衡机理和混合钳位型拓扑的控制方法。 混合钳位型拓扑是一种新颖的多电平拓扑,为对系统做进一步分析设计,本文分析了混合钳位型拓扑所有的工作模态和他们之间的相互转换,将其分为三类,归纳出各类工作模态转换的转换规则,并通过测试验证了理论分析的正确性。对几种适用于混合钳位型拓扑的载波方式做分析,比较了它们对工作模态转换和输出电压谐波的影响。 混合钳位型拓扑中,电容的大量使用使直流母线电容和悬浮电容容值的选择成为一个复杂问题。本文提出了一种可以定量选择电容容值的方法。根据对电容电压平衡的影响,将系统的正常运行划分为五种模态转换,取其中对电容电压影响最大的一种作为电容容值选择的参考,并以此确定出平衡效果最好的直流母线电容和悬浮电容容值比。进而通过恒流负载的仿真,验证了这种方法的正确性。 本文在混合钳位型拓扑基础上,提出了一种开关电容和二极管钳位电路组合的多电平拓扑,该拓扑将开关电容电路和二极管钳位电路有机的结合起来,充分发挥了两部分电路的优点,不但减少了器件的使用量,而且可以实现升压功能,并通过仿真和实验验证了该拓扑的可行性。 最后,实验室搭建了一台15kW的混合钳位型五电平三相逆变器,验证了该拓扑在较大功率等级上应用的可行性。