（电力电子与电力传动专业论文）多电平逆变器pwm新方法及相关技术.pdf

浙江大学博士学位论文摘要 向的交叠量、幅值调制度和多电平逆变器谐波性能指标之间的规律。理论分析结 果可以再一次证明前述载波交叠p w m 方法的优越性。 本文利用飞跨电容多电平的拓扑结构，研究了多电平功率因数校正电路，并 以四电平功率因数校正电路为例，详细分析了其拓扑结构、工作模式及其控制方 法。四电平p f c 变换器开关管和二极管的电压定额是直流输出电压的1 3 ，因此 减少了开关管和二极管的导通损耗和开关损耗，提高了系统的效率：二极管的电 压定额的降低，大大缓解了二极管在高压时严重的反向恢复问题；同时四电平 p f c 变换器b o o s t 电感的电感量是传统两电平p f c 电路的1 9 ，减小了电感的 尺寸，提高了系统的功率密度；因此四电平p f c 变换器可以用耐压较低、价格 较低廉的开关器件和较小的电感工作在高压场合。 本文工作为多电平逆变器p w m 控制方法的优化设计提供了理论和技术基 石出。 关键词：多电平逆变器，p w m ，控制自由度，双傅立叶分析，多电平p f c 【l 浙江大学博士学位论文摘要 a b s t r a c t r e c e n t l y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n ti nt h ee l e c t r o t e c h n i c sf i e l d s ，t h ee q u i p m e n t s o f p o w e r e l e c t r o n i c sa r ee x p e c t e dt oh a n d l et h eh i 曲e r r a t i n g so fv o l t a g ea n dc a p a c i t y ， s om u l t i l e v e li n v e r t e r sh a v ed r a w nt h et r e m e n d o u si n t e r e s t su n d e rt h i sb a c k g r o u n d t h ep w mm e t h o d so fm u l t i l e v e li n v e r t e r sa r es y s t e m i c a l l yr e s e a r c h e dt of i n dt h e i r r e l a t i o n s h i pa n d t h el a wi nt h i sd i s s e r t a t i o n t h et h e s i s p r e s e n t s t h ei d e ao fc o n t r o l d e g r e e s o ff r e e d o mc o m b i n a t i o n t h e c a r r i e r - o v e r l a p p i n gp w m m e t h o di sp r e s e n t e d w h i c hu t i l i z e sv e r t i c a lo f f s e t sa m o n g c a r r i e r so ft h ec o n t r o lf r e e d o md e g r e e ( c f d ) t h i sm e t h o ds h o w sb e r e rh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i c so f o u t p u tv o l t a g e t h a ns u b h a r m o n i cp w mm e t h o du n d e rl o w m o d u l a t i o ni n d e xr e g i o n t h cc a r r i e r - o v e r l a p p i n g s f op w mm e t h o di sp r e s e n t e di n t h et h e s i s ，w h i c hu t i l i z e sv e r t i c a lo f f s e t sa m o n gc a r r i e r so ft h ec f da n d i n j e c t i n gz e r o s e q u e n c es i g n a l st ot h er e f e r e n c ew a v e o f t h ec f d t h i sm e t h o dh a sa d v a n t a g e so f t h e s w i t c h i n gf r e q u e n c yo p t i m a l p w mm e t h o d ( s f o p w m ) a n dt h e c a r r i e r - o v e r l a p p i n gp w m m e t h o d ：u n d e rl o wm o d u l a t i o ni n d e x t h i sm e t h o dc a n s h o wb e r e rc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo u t p u tv o l t a g e ；a n dt h ed c v o l t a g eu t i l i z a t i o ni s i m p r o v e d i no r d e rt o i m p r o v et h e h a r m o n i cp e r f o r m a n c eo fo u t p u t v o l t a g eu n d e rl o w m o d u l a t i o ni n d e xr e g i o n ，an o v e lc a r t i e r - b a s e dp w mm e t h o df o rf l y i n gc a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e ri s p r e s e n t e di nt h et h e s i s ，a n dt h ef l y i n gc a p a c i t o r s c a l l k e e p b a l a n c ei nt su n d e rt h i sp w mm e t h o d 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec a r r i e r - s h i f t e d p w ma n dt h e s p a c e v e c t o rp w mi n f l y i n gc a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e r si s e s t a b l i s h e d ，a n da c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i p ，t h es w i t c h i n gl o s sm i n i m i z e dp w m f o r f l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r si sp r e s e n t e d ，t h es w i t c h i n gl o s sc a nb eg r e a t l y r e d u c e da n d e 伍c i e n c yo f t h es y s t e mc a nb ei m p r o v e d m e1 6 n d so fn o v e lp w mm e t h o d sa r er e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l yi nt h et h e s i s w h i c hu t i l i z e sv e r t i c a lo f f s e t sa m o n gc a r r i e r so f t h ec f da n dh o r i z o n t a lo f f s e t sa m o n g c a r r i e r so ft h ec f d h a r l i l o n i cc o m p o n e n t so ft l l ec o p w m a t h ec o p w m ba n d t h ec o p w m cc a nb ec a l c u l a t e dw i t ht h ed o u b l ef o u r i e ra n a l y s i s 。t h ed e t a i l e d a n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns t e p sa r eg i v e ni nt h et h e s i s a c c o r d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n r e s u l t s ，a n a l y t i c a ls r ，e c t n t r nc a nb eo b t m n e d ，a n dt h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h e c o p w m a t h ec o p w m - ba n dt h ec o p w m ca r eg i v e ni n 血et h e s i s u g ht h e c o m p a r i s o na m o n g t h ec o p w m “t h ec o p w v l - ba n dt h ec o p w m cm e t h o d 。t h e c o p w m am e t h o ds h o w st h eb e s th a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt ot h ed o u b l e s u m m a t i o nf o u r i e rs e r i e so f t h r e ek i n d so f p mm e t h o d s t h er e l a t i o n s h i pa m o n gt h e h a r m o n i cp e r f o r m a n c e v e r t i c a lo f f s e t sa n dm o d u l a t i o ni n d e xi so b t a i n e di nt l l et h e s i s t h ea d v a n t a g eo ft h ea b o v ec a r r i e r - o v e r l a p p i n gp w mm e t h o dc a nb ep r o v e da g a i n b yt h et h e o r y r e s u l t s w i t ht h et o p o l o g yo ff l y i n gc a p a c i t o rm u l t i l e v e li n v e r t e r s t h em u l t i l e v e lp f ci s l i l 浙江大学博士学位论文 摘要 r e s e a r c h e di nt h et h e s i s 1 1 l et o p o l o g y o p e r a t i o nm o d e sa n dc o n t r o lm e t h o do ft h e f o u rl e v e lp f cc o n v e r t e ra r ea n a l y z e di nt h et h e s i s i nt h ef o u rl e v e lp f cc o n v e r t e l v o l t a g es t r e s s e so fs w i t c h e sa n dd i o d e si so n et h i r do f t h a ti nt h ec o n v e n t i o n a lb o o s t p f cc o n v e r t e r , t h e r e f o r e ，t h ec o n d u c t i o nl o s sa n ds w i t c h i n gl o s sa t er e d u c e d ，a n dt h e e f f i c i e n c yo fs y s t e mi si m p r o v e d w i t ht h ed e c r e a s eo fv o l t a g es t r e s s e so fd i o d e s ，t h e r e v e r s er e c o v e r yp e r f o r m a n c eo fd i o d e si si m p r o v e d i nt h ef o u r - l e v e lp f cc o n v e r t e r , t h eb o o s ti n d u c t a n c ei so n en i n t ho f t h a ti nc o n v e n t i o n a lp f cc o n v e r t e r t h ep r e s e n t e d f o u r - l e v e lp f cc a nb eo p e r a t e di nh i g hv o l t a g ea p p l i c a t i o n sw i t hl o wr a t e ds w i t c h e s a n dd i o d e s t h ew o r ki nt h et h e s i sp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dt e c h n i c a lb a s i sf o r 血e o p t i m a ld e s i g no f m u l t i l e v e li n v e r t e rp w m m e t h o d s a b s t r a c t s ：m u l t i l e v e li n v e r t e r s ，p w m ，c o n t r o lf r e e d o md e g r e e ，d o u b l ef o u r i e r a n a l y s i s ，m u l t i l e v e lp f c 本论文工作得到以下项目的资助： 国家教育部科学技术研究重点项目 ( 编号：重点0 2 m 4 ) 2 0 0 3 年度台达电力电子科教发展基金项目 谨致感谢! 浙江大学博士学位论文第一章 1 1 引言 第一章绪论 近年来，随着电工领域各种技术的全面发展，人们对电力电子装置的高压、 大功率和高频化的要求越来越强烈，人们希望电力电子装置能够处理越来越高的 电压等级和容量等级，例如，电力系统中以高压直流输电( h v d c ) ，静态无功补 偿( s t a t c o m ) 等为代表的柔性交流输电技术( f a c t s ) ，以及以高压变频为代表的 大电机驱动和大功率电源装置。多电平变换器也就是在这种背景下成为高压大功 率变换研究的热点【2 3 1 1 4 。 多电平变换器的概念最早是由a n a b a e 等人在1 9 8 0 年i a s 年会上提出的i l 】。 该电路用两个串联的电容将直流母线电压分为三个电平，每个桥臂用四个开关管 串联，用一对串联箝位二极管和内侧开关管并联，其中心抽头和第三电平连接， 实现中点箝位，形成所谓中点箝位变换器( n p c - - n e u t r a l p o i n tc l a m p e d ) 。在这个 电路中，主功率管关断时仅仅承受直流母线电压的一半，所以特别适合高压大功 率应用场合。1 9 8 3 年，b h a g w a t 等人在此基础上，将三电平电路推广到任意n 电平，对n p c 电路及其统一结构作了进一步的研究。这些工作为高压大功率变 换器的研究提供了一条崭新的思路。八十年代末，随着g t o 、i g b t 等大功率可 控器件容量等级的不断提高，以及以d s p 为代表的控制芯片的迅速普及，关于 多电平变换器的研究和应用才有了迅猛的发展，不仅在电路拓扑、p w m 控制方 法和软开关技术等方面形成了许多分支，而且应用领域从最初的d c _ a c 变换， 如大功率电机驱动6 】 5 8 】：拓展到a c d c 变换，如电力系统无功补偿【7 】【8 1 1 9 1 ， 和a c d c _ a c 变换，如超导储能 1 0 1 1 1 1 】；再到近期的d c d c 变换，如高压 直流变换【1 2 l 【1 3 l 【1 4 1 1 1 5 】，三电平p f c 【2 】【1 6 】f 1 7 1 等。 目前，多电平变换器技术已成为电力电子学中，以高压大功率变换为研究对 象的一个新的研究领域。对于电平数为n 的多电平变换器，它具有以下突出优 点： 1 每个功率器件仅承受1 ( n 一1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压 的器件实现高压大功率输出，且无需动态均压电路。 浙江大学博士学位论文第一章 2 电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( t h d ) 。 3 可以用较低的开关频率获得和高开关频率下两电平变换器相同的输出电压波 形，因而开关损耗小，系统的效率高。 4 由于电平数的增加，在相同的直流母线电压条件下，较之两电平变换器，开 关器件所承受的d v d t 应力大为减少；在高压大电机驱动中，有效防止电机转 子绕组绝缘击穿：同时改善了装置的e m i 特性。 5 无需输出变压器，大大地减小了系统的体积和损耗。 1 2 多电平逆变器拓扑结构的研究 到目前为止所见到的多电平逆变器，按主电路拓扑结构来分。主要分为三种 基本的拓扑结构： 二极管箝位型多电平逆变器( d i o d e c l a m p e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 飞跨电容型多电平逆变器( f l y i n g - c a p a c i t o r m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 级联型多电平逆变器( c a s c a d e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 近年来，由这三种基本拓扑又派生出了很多拓扑结构，其中研究的比较多的 有以下两种： 混合型多电平逆变器( h y b r i d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 通用型多电平逆变器( g e n e r a l i z e d m u l t i l e v e li n v e r t e r ) 通用型多电平逆变器虽然由它可以推导出二极管箝位型多电平逆变器和飞跨 电容型多电平逆变器两种拓扑结构，但是却不能由它推导出级联型多电平逆变 器，因此，这一拓扑结构从“通用”的意义上来说，并不能完全概括三种基本拓 扑结构，有它的局限性。本实验室在研究多电平逆变器统一拓扑方面，做了很多 工作，提出了由基本单元构成多电平电路的思想【”。 1 二极管箝位型多电平逆变器【1 8 【1 9 】【2 0 】 图i - 1 所示是二极管箍位型五电平三相逆变器的主电路结构。分压电容 c l = c 2 2 c 32 c 4 ，因此12 22 32 4 ；每相桥臂有8 个开关器件串联， 其中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，其中s a l 和s a 5 互补、s a 2 和s a 6 互补、s a 3 和s a 7 互补、s a 4 和s a 8 互补。五电平逆变器的输出电压及其对应的 开关状态如表1 1 所示。 2 浙江大学博士学位论文 第一毒 。” ： 【 自1 j 1 j c 【j( 】 】 女 ” j 【 】c m z 【 j * ， ： c 一 i j m j 【 】【j l 】 c “ 】 】c 】 】 c “ j l t - a s ： c j ：m - c 】l ：s 。s 菇 一 j【j】 j【“ j 【 【“ 】 【 j【s e 6 3 c”2 t - ：r”t j 】 【s e ? 3 “ 1 8 3 c 1 【 图i 1二极管箝位型五电平三相逆变器主电路 开关状态 输出电压 s a ls a 2s a 3s a 4s a 5s a 6s a 7s a 8 v d ci11lo000 3 v d e 4o1111000 2 v d e 4o01l1100 v d e 400o1111o 0o00o1111 表1 1二极管箝位型五电平逆变器输出电压及其开关状态 2 飞跨电容型多电平逆变器【2 2 1 1 2 3 】【2 4 1 1 2 5 】 2 6 1 f 2 7 】 “ ： i 自1 3 j c ； ” c “ j c ” 3 - i” l im ： i im ， ： 【 。j 。麻 【 i 离 l 。卜，离 l 一tt ”一： 一tti _ 一c ii “弋1 一j 。岱 号z cl 乞甚c _ l l 【 9 7 1 c s b 7 1 c s c 7 7 【 干“m ， c “ 1 c 8 2 c 图l - 2 飞跨电容型五电平三相逆变器主电路 3 浙江大学博士学位论文第一章 图1 2 所示是飞跨电容型三相五电平逆变器的主电路结构。每相桥臂有8 个 开关器件串联，其中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，其中s a l 和s a 8 互补、s a 2 和s a 7 互补、s a 3 和s a 6 互补、s a 4 和s a 5 互补。五电平逆变器的输 出电压及其对应的开关状态如表1 2 所示。 开关状态 输出电压 s a ls a 2s 们s 卅s a ss b 6s 7s 8 8 o0oo0l1l1 lo0o11lo oo0lo111 v d c 4 00101011 o1o01101 110o1l0o 00l10oll 10lo10lo v d 以 l0olo1lo 010101o1 011o1o01 l11010o0 o11loo0l 3 v a j 4 101lo010 l1010lo0 v d c llll0 00o 表1 - 2 飞跨电容型五电平逆变器输出电压及其开关状态 3 级联型多电平逆变器【2 8 】【2 9 】【3 0 】【3 l 】【3 2 1 图l 一3 所示是级联型五电平三相逆变器的主电路结构。每相桥臂有2 个单相 全桥构成，其中每4 个开关器件同时处于导通或关断状态，其中s a l 和s a 3 互补、 s a 2 和s a 4 互补、s a 5 和s a 7 互补、s a 6 和s a 8 互补。级联型五电平逆变器的输 出电压及其对应的开关状态如表1 3 所示。 4 浙江大学博士学位论文第一章 图l _ 3级联型五电平三相逆变器主电路 开关状态 输出电匪 s a ls a 2s 0 3s 4s 醛s a 6s a ts a s 2 v d c 1001lo0l 乩 001llo01 0o0110o11 - v 如 o01101lo - 2 v d c ol1o0ll0 表1 3 级联型五电平逆变器输出电压及其开关状态 4 混合型多电平逆变器1 3 3 】1 3 4 1 图1 4 混合型七电平三相逆变器主电路 近年来电力电子器件的技术表明选择开关器件时要在开关频率和耐压能力 5 浙江大学博士学位论文第一章 之间折中选择。一般地，快速开关器件的耐压能力有限，象i g b t ；而耐高压能 力较强的开关器件其开关速度有限，象i g c t 。混合型多电平变换器则包含了两 种类型的开关器件，i g b t 和i g c t ，充分利用了两种开关器件的特点。如图1 - 4 所示是混合型七电平三相逆变器的主电路结构。每相桥臂有2 个单相全桥构成， 直流母线电压为v d c 的全桥采用i g b t 器件，而直流母线电压为2 v d c 的全桥采 用i g c t 器件。其中s a l 和s a 3 互补、s a 2 和s a 4 互补、s a 5 和s a 7 互补、s a 6 和s a 8 互补。混合型七电平逆变器的输出电压及其开关状态如表1 - 4 所示。 开关状态 输出电压 s a ls a 2s ns a 4s a 5s 6s a 7s a 8 3 v d c1 0o11o0l 2 v d e odl11o01 looloo1l 000l10011 - v d c 011oo011 2 v d 。 o0l1oll0 3 v d c o1looll0 表l - 4 混合型七电平逆变器输出电压及其开关状态 5 通用型多电平逆变器3 5 图1 - 5 通用型五电平逆变器主电路 图1 5 是近年发表的一种多电平逆变器统一拓扑。现有的二极管箝位型多电 6 浙江大学博士学位论文第一章 平逆变器拓扑，飞跨电容型多电平逆变器都可以从这一拓扑推导得到，并且该统 一拓扑无需附加任何额外的硬件电路和控制，自身就可实现直流侧电容的平衡。 同时，通过该拓扑还可以得到一些新的多电平拓扑，是由于该拓扑的结构较复杂， 它的价值主要是它的理论意义，利用它可以拓延出其它拓扑。虽然由通用型多电 平逆变器可以推导出二极管箝位型多电平逆变器和飞跨电容型多电平逆变器两 种拓扑结构，但是却不能由它推导出级联型多电平逆变器，因此，这一拓扑结构 从“通用”的意义上来说，并不能完全概括三种基本拓扑结构，有它的局限性。 6 多电平变换器基本单元的思想和基于该思想的多电平电路拓扑生成方法【2 l lj 卜i j? - i 3 d 2 l 一 ，卜 3 “_ | 3 ( a ) 基本单元( b ) 基本单元的串联图( c ) 基本单元的并联 ( d ) 基于两电平桥臂和基本单元 串一并思想的多电平变换器拓扑 ( e ) 基于两电平桥臂和基本单元 并一串思想的多电平变换器拓扑 图1 6 基本单元和由基本单元生成的多电平变换器拓扑 本实验室提出了由基本单元构成多电平电路的思想，基本单元如图1 6 ( 曲所 示。把两个基本单元分别进行串连和并联，就会得到图1 - 6 ( b ) 和1 - 6 ( c ) 。如果先 将多电平变换器基本单元分别串联，得到若干个电平数递减的部分，再将这些部 分并联，从而得到如图1 - 6 ( d ) 所示的多电平变换器拓扑：如果先将多电平变换器 基本单元并联形成多个全桥电路单元，再将这些单元输出端串联，从而得到如图 7 浙江大学博士学位论文第一章 l 一6 ( e ) 所示的多电平变换器拓扑。如果把基本单元思想进一步拓展，还会得到其 它一些拓扑。采用基本单元的思想，可以得到二极管筘位多电平逆变器、飞跨电 容多电平逆变器和级联型多电平逆变器三种基本拓扑结构，而且还可以由此推导 出一些有实用价值的新型的多电平拓扑结构。 1 3 多电平逆变器软开关技术的研究 见诸于文献的多电平逆变器的软开关技术包括有源软开关技术和无源软开 关技术。目前有关多电平逆变器软开关技术的研究，多集中在有源软开关方面； 多电平逆变器无源软开关的研究则相对较少，其研究成果主要是将一些经典的两 电平低损吸收电路拓展到多电平电路当中去，属于无源低损的范畴。本文将通过 分析和比较，对见诸于文献的多电平逆变器的各种软开关技术，提出各自的优缺 点以及应用前景。 1 3 1 有源软开关技术 1 模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器p 6 】【3 7 】 模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器的结构如图1 7 所示。cr l 和c r 2 是谐振电容，l 1 和l r 2 是谐振电感。谐振电容、谐振电感和辅助开关组成了直流 环节的软开关变换模块。c ，l = c r 2 、l r l = k ，所以两个准谐振槽路在直流环节上 组成了一个镜相对称的模块，如图1 中虚线部分所示。 一 b j c 鼍已】 ： j d b 鼍之】 d c l一 c 涮j _ 卜 _ 。一 ，r b并端 ： = - l l 一一一一一一i - - j 立冷 1 一鬯上 d c 。 = - o ：l 薅s 2 t j ii 0 非 嘣 1 、一 cj 裂j 】 眦 蠹奄t 吲】 【 誓 】 【 涮j 一一一一一一一。i1 1 0 、 m 图l - 7 模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器 在开关切换期间，箝位开关研和s i 处于关断状态，把逆变器的母线电压从 直流环节中释放出来，以使p 点和m 点的电压通过谐振降到零，为软开关的实 8 浙江大学博士学位论文第一章 现提供条件。此时，三电平逆变器的主开关器件在零电压条件下可实现软开关操 作。当开关完成切换后，通过开通筘位开关文和奠，结束谐振过程，把直流环 节的电压加到母线的正极和负极之间。 该电路拓扑的特点如下。 优点：模块化设计：辅助变换电路中所用的元件较少。主开关器件所承 受的电压和电流应力和硬开关逆变器所承受的压和电流应力相等。逆变器的主 开关器件和辅助电路的筘位开关是零电压开通；辅助电路中的辅助开关是零电流 关断。 缺点：由于中点电流的影响，逆变器的正极母线电压和负极母线电压谐振到 中点电压所需要的时间可能不相等，需要外加控制逻辑来使两者同步，增加了电 路的复杂性，降低了电路的可靠性。 2 多电平逆变器的辅助谐振变换极软开关拓扑 在高压大功率应用场合，提出了各种各样的软开关拓扑，其中，辅助谐振变 换极电路( a u x i l i a r yr e s o n a n tc o m m u t a t e dp o l ei n v e r t e r ) 是较为成功的一种。近年来 的文献表明把辅助谐振变换极的原理扩展到二极管箝位三电平逆变器中去，理论 上是可行的，图1 8 、图1 - 9 和图1 1 0 概括了已经提出的三电平逆变器的辅助谐 振变换极软开关拓扑f 3 8 】f 3 9 1 1 4 0 1 。 图1 - 8 辅助谐振变换极三电平逆变器 文献3 8 1 提出了图1 - 8 所示的电路，辅助开关s 。帮助主开关s 。和s 二在软开 关条件下完成变换，辅助开关s 一：帮助主开关s 。，和s ：在软开关条件下完成变 换。 该电路拓扑的特点如下。 9 浙江大学博士学位论文第一章 优点：所需要的附加元件的数量最少；可实现主开关管的零电压开关和 辅助开关管的零电流开关。 缺点：辅助开关所承受的阻断电压是0 7 5 ，阻断电压的数值较高。 流过吸收电容c 3 的电流均方根有效值是流过吸收电容c 1 和c ：的电流均方根有 效值的1 4 倍。内部开关管s 。：和s 二和箝位二极管见和或在关断时，其能量 是间接的被电容e 吸收，这样会造成较大的杂散电感，将导致软变换期间的寄 生震荡。 为了克服图1 8 所示电路存在的缺点，文献【3 9 1 提出了图1 - 9 所示的电路，当 开关管s 。：导通和瓯：关断时，辅助开关s 。，帮助主开关和s 二在软开关条件下 完成变换，使输出电压交替连接到正极母线和中点：当开关管s 。导通和s ：。关断 时，辅助开关k ：帮助主开关咒：和s ：，在软开关条件下完成变换，使输出电压 交替连接到负极母线和中点。 图1 9 辅助谐振变换极三电平逆变器 该电路拓扑的特点如下。 优点：辅助开关所承受的阻断电压减小到0 5 。；可实现主开关管的 零电压开关和辅助开关管的零电流开关。箝位二极管关断时的能量直接被吸收 电容所吸收，减少了杂散电感，也减少了关断时因二极管的反向恢复特性造成的 损耗。 缺点：用了两个谐振电感，电路的元件数量较多。变换出现在被间接吸 收的内部开关管瓯：或瓯，此时会造成较大的杂散电感，将导致软变换期间的寄 1 0 浙江大学博士学位论文第一章 生震荡。 为了克服图t - 9 所示电路的缺点，使吸收元件的布置是最优的，文献【4 0 l 提出 了图1 1 0 所示的软开关拓扑。在该电路中每个主开关器件都并联有一个直接吸 收电容，这样的结构使杂散电感减小到最小，并减少了由于均输出功率小于零的 变换所带来的损耗。然而，该电路需要有源筘位开关来控制在软开关变换时吸收 电容的充电过程。 圈1 1 0 辅助谐振变换极三电平逆变器 该电路拓扑的特点如下。 优点：使杂散电感较小到最小，大大减小了发生寄生震荡的机率。可实 现主开关管的零电压开关和辅助开关管的零电流开关。有源箝位开关在低速和 高转矩操作时，提高了静态电压的平衡和开关器件之间的损耗平衡。 缺点：增加了两个有源箝位开关管，采用了两个谐振电感。使电路中元件的 数量增多，增加了电路的复杂性，降低了电路的可靠性。 表卜6 概括和比较了上面三种三电平辅助谐振变换极软开关拓扑的元件参 数特性。 在实际应用当中，上述三种电路还存在着以下问题【4 i 】【4 2 】1 4 3 】： 中点稳定性问题：由于三电平辅助谐振变换极软开关拓扑的直流环节有四个 电容，这样就存在两个中点( 1 和2 ) 。a r c p 变换期间，两个中点的充电平衡 由辅助电流f 一。和屯。的方向、大小和持续时间来决定。只有当输出电流和输 出电压之间的相移在- + 9 0 。附近时，即负载是纯无功负载时，对于辅助电流i 。 和。：来说，它们分别流入中点1 和中点3 的电流的安秒值必须在一个输出 浙江大学博士学位论文第一章 周期内相等。在其它情况下，中点将会产生偏移。因此在二极管筘位型三电 平辅助谐振变换极逆变器中，由于存在两个相互独立的中点，充电平衡所带 来的中点稳定的问题是不可避免的。 辅助开关的反并二极管关断时由于其反向恢复特性在辅助开关两端将造成过 电压，虽然各种各样的减少过电压的方案被提出，但是都大大增加了电路的 复杂性。 比较参数图1 7图l 一8图1 1 9 数量1 21 21 2 辅助开关阻断电压 o 7 5 0 5 o 5 峰值电流相对值 l o o 1 0 0 1 0 0 箝位二极管开关 6 ，o6 ，06 ，6 筘位开关 阻断电压 0 5 0 5 0 , 5 数量91 21 2 电压应力0 5 0 5 0 5 吸收电容 6 1 0 0 r m s 电流相对值 1 2 x 1 0 0 1 2 1 0 0 3 1 4 1 数量366 谐振电感 r i v l s 电流相对值 l o o 7 0 7 7 0 7 其它控制信道6 61 2 袁1 - 6三电平辅助谐振变换极软开关拓扑元件参数比较 1 3 2 无源低损软开关技术 1 能钳制过电压的三电平r c d r l d 缓冲电路1 4 4 酾】 文献4 5 1 提出了一种能钳制过电压的三电平r c d r l d 缓冲电路，如图l 1 1 所示。该电路在基本r c d r l d 吸收电路的基础上，增加了由过电压储存电容 c 。和c 。，：和二极管，和d w ：组成的过电压钳制电路，克服了传统的三电平 r c d r l d 缓冲电路1 9 1 内部开关器件断态电压比外部开关器件高这一不足之处。 1 2 浙江大学博士学位论文第一章 d l 8 i _ 【岫l s l ll r a l u l d a 。j 门 【d c s l 2 = c p jc o v ，一。一 ( b ) 电流实验波形 邮m口t 0 - 1昏m a -一h 1 1u h 柏帆 一 刊 ；“ 忡 砩 i ( c ) 线电压实验频谱 图3 - 8 飞跨电容三电平逆变器新型p w m 方法实验结果( 调制度为o 8 ) 4 9 浙江大学博士学位论文第三章 1 一 1 一 ( a ) 线电压( 上) 相电压( 下) 实验波形 l 御 1 r 。 1 1 1叶r 1 州 1 r 1 7 二 一 j 坤 i 2 1 ) 1 1 ：9 婵1v5 邢s ( b ) 电流实验波形 j _ ) m吐恤j1 h h 0d b l z ij j 啉谪心m 讯 槲 ( c ) 线电压实验频谱 图3 - 9 飞跨电容三电平逆变器新型p w m 方法实验结果( 调制度为0 3 ) 图3 1 0 飞跨电容三电平逆变器载波p w m 方法输出线电压的t h d 曲线比较 5 0 浙江大学博士学位论文第三章 图3 - 1 1 飞跨电容五电平逆变器载波p w m 方法输出线电压的t h d 曲线比较 对本文提出的飞跨电容多电平逆变器的新型p w m 调制方法以及传统的 p s p w m 调制方法在调制度从0 1 l 的范围内进行了比较，得出了飞跨电容三电 平逆变器两种调制方法输出线电压的t h d 随调制度变化的曲线( 1 5 0 t “以内谐波) ， 如图3 1 0 所示；得出了飞跨电容五电平逆变器两种调制方法输出线电压的t h d 随调制度变化的曲线( 1 5 0 t h 以内谐波) ，如图3 - 1 1 所示。从飞跨电容三电平逆变 器的比较结果可以看出，新型p w m 调制方法谐波特性要优于传统的p s p w m 调 制方法。表3 2 是计及到1 5 0 次谐波的采用新型p w m 方法和传统的载波相移 p w m 方法时分别在高调制度和低调制度下的线电压的t h d 比较。 调制方法载波相移p w m 新型p w m 方法 调制度 方法 o 83 6 5 9 0 34 3 1 3 4 表3 - 2 飞跨电容三电平逆变器采用不同的调制方法时线电压t h d 比较 3 2 飞跨电容三电平逆变器p w m 方法之间的本质联系 目前，飞跨电容多电平逆变器常见的主要有两种p w m 控制方法：载波相移 p w m 方法【2 】和空间矢量p w m 方法( s v p w m ) 【5 1 。 为了使飞跨电容三电平变换器p w m 控制方法的研究具有系统性和理论性， 本文将建立载波相移p w m 方法和空间矢量p w m 方法之间的联系，以便对飞跨 电容三电平逆变器的控制更加灵活，同时也为提出新的飞跨电容三电平逆变器 p w m 控制方法提供理论依据。任选一个载波相移p w m 方法的载波周期，如图 3 1 2 所示。 5 1 浙江大学博士学位论文第三章 il 入1卜 x ) 吒 圪。 因此根据同样的方法可以推导出其它区域的方程，可以概括如下： 巧= 匕+ ( 3 1 6 ) 巧= 吒+ 吃。 ( 3 1 7 ) 固 o 0 浙江大学博士学位论文第三章 y ：= v c + v 。， p 二。= 一【( 1 2 七) 。5 - 一( 1 一) v m i n - k x 。 ( 3 1 8 ) f 3 1 9 ) 其中，巧、蠓、为三相调制波，圪、圪、以为三相正弦波，吃，。是三 相调制波中注入的零序分量，和k 。分别是任意时刻三相三个参考电压在此 时刻的最小值和最大值。式( 3 1 6 ) 一( 3 1 9 ) 就是本文建立的飞跨电容三电平逆变 器载波相移p w m 方法和空间矢量p w m 方法之间联系定量表达式。k 在0 1 问变化对应于飞跨电容三电平逆变器载波相移p w m 方法中注入的零序分量的 变化。其中k 可以是一个定值，也可以是一个随时间变化的值，k 取不同的值， 则对应不同的零序分量和p w m 方法。当k = 0 5 时，对应的就是飞跨电容三电平 逆变器空间矢量p w m 方法；当吃。= 0 时，对应就是飞跨电容三电平逆变器载 波相移p w m 方法。 3 3 飞跨电容三电平逆变器开关损耗最小p w m 方法 3 1 3 1 原理 对于飞跨电容三电平逆变器，无论是采用相移载波p w m 方法，还是采用空 间矢量p w m 方法，工作在高频下，能使输出电压的波形质量变得更好，不幸的 是，高频使逆变器的开关损耗增加，进而使系统的效率降低。为了使飞跨电容三 电平逆变器工作在较高工作频率下，而又不使系统开关损耗大量增加，本文提出 了飞跨电容三电平逆变器开关损耗最小p w m 方法，该方法最大程度地减少了开 关损耗，提高了系统的效率。 功率变换器总的损耗包括：开关损耗、通态损耗和断态损耗，当功率变换器 的开关频率较低时，开关损耗是可以忽略的；但是当功率变换器的开关频率较高 时，开关损耗成为功率变换器总的损耗中的主要部分，每个开关管的开关损耗如 式( 3 2 0 ) 所示n ：盐竺兰型 r 3 2 0 ) 浙江大学博士学位论文第三章 其中，t 是输出电压基频分量的周期，k 是开关器件的开通时间，砀是开 关器件的关断时间，一是一个丁内的总的开关次数，_ ，是第，次开关，v ，是第，次 开关时开关管