（电力电子与电力传动专业论文）基于混合钳位型五电平拓扑的研究与设计.pdf

浙江人学硕上学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t m u l t i l e v e l c o n v e r t e ri so n eo ft h em o s ta c t i v et e c h n o l o g i e si nm e d i u m - h i 出 v o l t a g ea n dh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n si nt h er e c e n ty e a r s t h ed i o d e c l a m p e dt o p o l o g y a n dt h ec a s c a d e dh b r i d g et o p o l o g ya r em o r ep o p u l a ri ni n d u s t r y h o w e v e r , d u et ot h e u n b a l a n c eo ft h ed c l i n kc a p a c i t o r s ，t h ed i o d e c l a m p e dt o p o l o g yh a sn o tb e e n e x t e n d e di n t ot h ef i v e l e v e lo rh i g h e rl e v e lc o n v e r t e r s t h eh y b r i d c l a m p e dt o p o l o g yi sp r o p o s e dt oa c h i e v et h eb a l a n c eo ft h ed c - l i n k c a p a c i t o r s i nh i g h - l e v e l c o i e r t e r s ，b yt h ep a r a l l e lc o n n e c t i o n so ft h ed c l i n k c a p a c i t o r sa n dt h ef l y i n gc a p a c i t o r s w h a t sm o r e t h ec o n t r o ls c h e m eo ft h e h y b r i d c l a m p e dt o p o l o g yi sv e r ys i m p l e ，a n di tc a nb eo p e r a t e du n d e ra l ll o a d c o n d i t i o n s t h ea n a l y s i s ，r e s e a r c ha n dd e s i g nb a s e do nt h eh y b r i d c l a m p e dt o p o l o g ya r e d i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h es t r u c t u r ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h eh y b r i dt o p o l o g ya r ei n t r o d u c e d i n c l u d i n gt h ec i r c u i tc o m b i n a t i o n ，t h eb a l a n c et h e o r ya n dt h ec o n t r o ls c h e m e a l lo p e r a t i o nm o d e sa n dt h et r a n s i t i o n sb e t w e e nt h e ma l el i s t e da n dc l a s s i f i e d i n t o3k i n d s e a c hk i n do ft h et r a n s i t i o n si sa n a l y z e di nd e t a i la n di t sc h a r a c t e r i s t i c s a l ei n d u c e d ，w h i c ha l ec o n f i r m e db yt h ee x p e r i m e n tr e s u l t s af e wk i n d so fc a r r i e r m o d u l a t i o n sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e do nt h ee f f e c t so nt h et r a n s i t i o n sa n dt h e o u t p u tv o l t a g eh a r m o n i c s am e t h o do fc a p a c i t a n c es e l e c t i o no nt h ed c - l i n kc a p a c i t o r sa n dt h ef l y i n g c a p a c i t o r si sp r o p o s e d t h eo p e r a t i o no ft h es y s t e mi sd i v i d e di n t of i v et r a n s i t i o n m o d e s 晰md i f f e r e n te f f e c t so v e rt h eb a l a n c ea m o n gt h ec a p a c i t o r s ，a n dt h em o s t i n f l u e n t i a lo n ei st a k e na st h e r e f e r r e de x t r e m ec o n d i t i o nf o rt h es e l e c t i o no f c a p a c i t a n c e s f u r t h e r m o r e ，t h ec a p a c i t a n c er a t i oo ft h ed c - l i n kc a p a c i t o rt ot h ef l y i n g c a p a c i t o ri si n d u c e d t h em e t h o di sc o n f i r m e db ys i m u l a t i o nw i t hc o n s t a n tc u r r e n t l o a d b a s e d0 1 1t h e h y b r i d - c l a m p e dt o p o l o g y , an e wt o p o l o g yc o m b i n i n gt h e s w i t c h e d - c a p a c i t o ra n dt h ed i o d e - c l a m p e dc i r c u i t si sp r o p o s e d t h es t r u c t u r ea n dt h e 浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h en e wt o p o l o g ya r ed i s c u s s e di nd e t a i l b o t ha d v a n t a g e so f t h e s w i t c h e d c a p a c i t o ra n dt h ed i o d e c l a m p e dc i r c u i t sa r eb r o u g h ti n t ot h en e wt o p o l o g y n o to n l yb a l a n c i n gt h ed c - l i n kc a p a c i t o r s ，b u ta l s oi tc a ns t e pu pt h eo u t p u tv o l t a g e w i t hk i n d so fb o o s t i n gm o d e s a n dl e s sp o w e rd e v i c e sa r eu s e d t h ev a l i d i t yi s c o n f i r m e db ys i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t so n af i v e l e v e li n v e r t e r a p r o t o t y p eo ft h eh y b r i d - - c l a m p e df i v e - l e v e lt h r e e - p h a s ei n v e r t e ri sb u i l tu pi n t h el a b ，a n dv a l i d a t e st h ef e a s i b i l i t yi nh i g hp o w e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：m u l t i l e v e l ，h y b r i d c l a m p e d ，s w i t c h e d c a p a c i t o r , d i o d e - c l a m p e d i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也小包含为获得滥姿盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：砷云左 签字日期：p ，年弓月，口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝江盘鲎 有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝江盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：p o 年 导师签名： 签字日期：日 乞 ，歹 ，印期 浙江人学硕上学位论文致谢 致谢 本论文是在导师何湘宁教授的精心指导下完成的。在学习过程中，何老师对 我的学业倾注了很大的心血，导师凭借渊博的知识、敏锐的学科洞察力和独特有 效的思维方式，引导我解决了许多工作中的难题；在生活上，导师经常关心我， 使我有良好的工作学习心态；导师始终在各个方面给予我极大的信任和鼓励，并 提供了良好的科研环境。此外，他严谨求实的治学态度、谦和平易近人的品格和 为人师表的风范，对我产生了巨大影响，让我受益匪浅。在此，谨向我的导师表 示由衷的感谢、崇高的敬意和最真诚的祝福! 本论文的科研工作得到赵荣祥老师、日本富士电机的雷云先生、y a s u s h ia b e 博士和m a s a a k iw a k o u 博士的大力支持，特此感谢! 在学习和在校生活中邓焰老师和赵菁老师给予我很大的关心和帮助，在此， 向邓焰老师和赵苦老师致以由衷的感谢。同时感谢吴建德老师和石健将两位老师 对我的关心和帮助。 学习期间，与实验室的师兄师姐、同窗、师弟师妹们朝夕相处，得到了他们 很多的关心和帮助。他们是：王小峰、杨波、汪东、胡敏、刘军、陆熙、施贻蒙、 陈娜；汪整、吕豪杰、王宝臣、徐同武、盛立承、范玲莉、贺玲；李威辰、杨兵 建、肖建国、杨永飞、吴海蒙、田水林、罗劫、崔文峰等等。其中，要特别感谢 经常在我学业和生活上给予帮助的李武华师兄和赵一师兄，他们的帮助使我受益 匪浅。还要感谢项目组中陈燕、谭成、程隽在实验工作上的支持和帮助，在此对 他们表示由衷的感谢。 感谢我亲爱的父母，感谢他们从小对我的培养和教育，感谢他们给予我最伟 大的父爱和母爱。感谢小剑对我的支持、鼓励和理解，这份感情对我十分重要。 感谢我的亲人们以往对我的关心、帮助和鼓励。 最后向所有关心和帮助过我的亲人、同学和朋友表示最诚挚的谢意和祝福。 韩云龙 2 0 1 0 年1 月于浙大玉泉 浙if ：大学硕士学化论文第1 章 第1 章绪论 1 1 多电平变流器的研究背景 电力电子技术自2 0 世纪5 0 年代诞生以来，经过半个多世纪的发展，至今已 被广泛应用于生产和生活中的各个用电领域。在低压小功率的用电领域，电力电 子技术的很多方面渐趋成熟，未来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能； 而在中高压大功率的用电领域，各方面技术正成为当今电力电子技术的研究重点。 这种状况一方面推动了电力电子器件在容量、电流电压应力上不断提高，另一方 面也推动了电路拓扑和电路控制技术的不断改进和发展【1 】【2 】。 多电平变流器技术凭借自身的特点成为中高压大功率变流器研究中的热点， 它具有以下几个突出的优点： ( 1 ) 对于n 电平的变流器，每个功率器件承受的电压应力仅为直流母线电压的 l ( n - 1 ) 倍，可以用低电压应力器件实现高电压等级的输出，同时避免了器件串联 使用带来的动态均压问题； ( 2 ) 输出电压波形质量高，输出电压谐波含量低； ( 3 ) 在相同电压等级条件下，与两电平变流器相比，d u d t 应力小，输出共模 电压小，可有效改善装置的e m i 特性； ( 4 ) 开关器件频率较低，开关损耗较小。 根据其特点，多电平拓扑可在众多大功率领域得到应用，如中高压大功率电 动机变频调速、电力系统静止无功补偿、新型高压直流输电、分布式发电系统、 新能源发电等领域【3 】【4 】【5 】【6 】【7 1 【9 】。 目前的多电平变流器，按主电路拓扑结构来划分，主要分为三类基本的拓扑 结构：二极管钳位型多电平变流器、飞跨电容型多电平变流器和级联型多电平变 流器。 飞跨电容型拓扑利用钳位电容实现器件钳位，存在电容电压不平衡的问题， 由于采用了大量的悬浮电容，电容又是寿命相对较短的器件，所以在实际生产中 应用不多【l o 】。 级联型拓扑实际是由传统的h 桥级联得到的，目前在实际生产应用中最为广 泛。这种拓扑最大的缺点是需多个独立的直流源。当采用不控整流得到这些直流 浙江大学硕上学位论文 第1 章 电源时，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现，这种变压器体积庞大，成 本高，设计困难。级联型拓扑在分布式发电领域有较好的应用前景。 二极管钳位型拓扑经过多年研究发展，在实际生产中应用也比较广泛，但是 自身也存在很多问题：直流母线电容的电压不平衡；需要使用大量的钳位二极管， 对于电甲数较高的变流器，钳位二极管的损耗和散热提高了系统的研发和制造成 本；由于钳位二极管单向导电的原因，桥臂中的器件是被间接钳位在母线电容上 的，桥臂中的器件会由于线路寄生参数的原因出现阻断电压不均现象，需要加入 额外的钳位电阻；每桥臂内外侧功率器件的导通时间和开关次数不同，造成器件 之间负荷不一致。因为它无需多个独立直流电压源和大量的钳位电容，并且容易 实现能量回馈，所以二极管钳位型拓扑具有很好的发展应用前景【l l 】f 1 2 】【1 3 】。 1 2 针对直流母线电容的电压不平衡问题的探索与研究 当二极管钳位型多电平变流器在用于传递有功功率时，每个直流母线电容的 充、放电时间不同，会造成各电容间的电压分布不均衡，从而导致输出电压波形 的畸变，得不到期望的多电平输出，甚至系统崩溃，这就是二极管钳位型拓扑存 在的直流母线电容的电压不平衡问题。这成为阻碍二极管钳位型拓扑在更高电平 数、更多更广领域应用的最大因素。 针对这个问题，研究工作者做了大量的工作，提出了很多解决方案，归纳起 来主要是通过两个途径：附加硬件电路和改进控制方法。 1 2 1 附加硬件电路实现电容电压平衡 文献 1 4 】提出，在上下两个母线电容之间附加两个有源开关管和一个电感， 如图1 1 ( a ) 所示，通过电感将高电压电容的能量传递给低电压电容，这种方法以 电感为能量传递的媒介，可以限制母线电容之间平衡时的冲击电流。同时该方法 可以在整个系统启动和关闭时，用来对各母线电容充电。 文献 1 5 】提出了一种附加串联谐振电路平衡直流母线电容电压的方法，如图 1 1 ( b ) 所示，这种方法实际上是以开关电容电路平衡电容电压的，串入谐振电感 可以用来抑制电流纹波。同时，该方法可以采用移相控制的控制策略，调节电流 纹波的大小和平衡电路传递的功率。 以上两种方法相当于为每个电平附加了电压调节器，不但增加了硬件，而且 使系统的控制更为复杂，降低了系统安全运行的可靠性。 2 浙江人学硕上学位论文第l 章 文献【1 6 提出在b a c kt ob a c k 的a c d c a c 结构中，二极管钳位型拓扑是可 以实现直流母线电容电压平衡的，并且可用于四象限运行，但是对于单级的 d c a c 变流器来讲并不适用。 ( a )( b )( c ) 图1 1 文献中采用的附加的硬件电路 文献 1 7 1 提出了一种四桥臂的三电平n p c 电路，在传统三桥臂n p c 电路的 基础上，增加了一个飞跨电容桥臂，如图1 1 ( c ) 所示。第四桥臂有两个作用：利 用该桥臂本身冗余的开关状态，实现母线电容电压的平衡，同时不影响三桥臂 n p c 电路的正常开关序列；在其他桥臂中某一桥臂发生故障时，第四桥臂可以 代替故障桥臂维持系统工作，提高了系统的容错能力。这种方法需要监测母线电 容电压的平衡情况，对于三电平拓扑来说，电路结构和平衡控制比较简单实用， 但如果扩展到更高电平，电路结构和平衡控制的成本都将大大提高。 文献 18 1 提出了一种通用型混合钳位多电平拓扑，运用了大量的钳位二极管 和钳位电容来实现期望的多电平输出和电容电压的平衡，但是这只是一个理论上 的通用模型。 文献 1 9 2 0 1 进一步提出了一种新颖的混合钳位型多电平拓扑，该拓扑既不需 要附加需要单独控制的电压平衡电路，也不需要使用独立直流电压源，不管在什 么负载特性下，自身都能够实现电容电压平衡，可以应用于有功和无功变换场合， 本文所做的工作都是基于这个拓扑展开的，详细的内容将在以下章节介绍。 1 2 2 改进控制方法实现电容电压平衡 多电平变流器的p w m 控制技术是多电平研究中一个相当关键的技术，它与 多电平拓扑结构的提出是共生的，它真接决定多电平输出的实现，而且对电压输 浙江人学硕上! z 竹论文 第1 章 出波形质量、系统损耗、效率提高都有很大影响1 2 1 1 。 目前多电平变流器主要的控制策略分为两大类：载波p w m 技术和空间矢量 p w m ( s p a c e v e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，s v p w m ) 技术。载波p w m 技术主要 应用在通过附加硬件电路解决电容电压平衡问题的多电平变流器中，而空间矢量 p w m 技术通过开关矢量的优化组合就可以实现电容电压平衡的功能。 空间矢量p w m 控制技术对于多电平拓扑电路来说具有很大优势，每个电平 输出都对应若干个冗余的开关矢量，每个开关矢量对各直流母线电容电压的影响 各不相同。实时检测各母线电容电压的平衡状态，并根据检测的情况，选择适当 的开关矢量，在保证输出电平的同时，就可以实现直流母线电容电压的平衡。 但是，这种方法目前还有很大局限性，对于三电平的二极管钳位型拓扑，因 为电平数较少，参与电平输出的矢量较少，采用s v p w m 控制实现电容电压平 衡比较简单。对于更高电平数的二极管钳位拓扑来说，电平数的增加大大增加了 矢量的数量，使s v p w m 控制技术在实际应用中几乎很难实现。 文献 2 2 】提出了一种新的空间矢量控制的计算方法，将高电平数的空间矢量 逐步化简成低电平数的空间矢量，在一定程度上减少了计算量。 文献 2 3 】 2 4 【2 5 】 2 6 】等在空间矢量控制的基础上做了不同的改进，使系统在 输出电压谐波、开关器件损耗、共模电压抑制、过调制运行、电容电压平衡和窄 脉冲消除等方面的性能得到优化和提高。 文献 2 7 】对空间矢量p w m 控制和载波p w m 控制作了比较，分析了两种调 制方式的关系，指出两者在某些特定的条件下是可以相互转化的，为直接利用载 波p w m 控制实现电容电压平衡提供了理论参考。 文献【2 8 】 2 9 等对二极管钳位型拓扑和空间矢量控制的结合进行了比较深入 的研究，指出，对五电平及更高电平数的二极管钳位拓扑采用空间矢量控制来平 衡电容电压是存在限制条件的，空间电压矢量控制对电容电压平衡的能力受到负 载功率因数和调制比的制约。 总体看来，目前对二极管钳位型拓扑的电容电压平衡问题的解决主要停留在 三电平的变流器上，既可以采用空间矢量控制的方法，也可以采用附加硬件电路 的方法，因为电平数较少，附加电路成本比较低，控制也比较可靠；对于五电平 及更高电平数的电路，母线电容电压平衡仍然没有个很好的解决方法。文献 3 0 】 4 浙江人学硕上等之位论文第1 章 甚至提出了一种级联型与三电平n p c 电路组合的五电甲拓扑电路，回避了五电 平拓扑的电容电压平衡问题，但也引入了级联型拓扑所存在的固有问题。 1 3 本文的主要内容 本文基于论文【1 9 】提出的混合钳位型多电平拓扑作相关研究与设计。 第l 章首先介绍了多电平变流器的发展背景，指出二极管钳位型拓扑的直流 母线电容电压不平衡问题，并介绍了两类解决该问题的方法。得出结论，对于五 电平及五电平以上的二极管钳位型多电平变流器，仍没有较好的解决电容电压平 衡问题的方法，进而引出本文所研究的混合钳位型多电平拓扑。 第2 章从电路合成的角度重新分析了混合钳位型拓扑的电路结构和工作原理， 分析了该拓扑实现直流母线电容电压平衡功能的机理，并介绍了该拓扑运行时所 需的控制方法。 第3 章主要是对混合钳位型五电平拓扑的工作模态转换的分析与测试。首先 对系统运行时的所有工作模态转换进行分类，分别介绍各类工作模态转换的特点； 然后，介绍了对系统各工作模态转换的测试方案，并给出了详细的测试结果与分 析；最后比较了几种适用于本拓扑的载波调制方案，分析了它们对工作模态转换 的影响和对输出电压t h d 的影响。 第4 章提出了一种定量的计算直流母线电容和悬浮电容容值的方法。其基本 思想是，以对电容电压平衡的影响作为依据，将系统正常工作划分为5 种工作模 态的转换，选择其中对电容平衡影响最大的一种作为整机运行极限工况的代表， 推导出直流母线电容和悬浮电容的最佳容值比。最后用仿真手段验证了方法的正 确性。 第5 章提出了一种新颖的开关电容和二极管钳位电路组合的多电平拓扑，与 原混合钳位型拓扑相比，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。 第6 章具体介绍了实验室样机搭建的设计，包括主电路设计，控制电路设计、 驱动、保护与电平转接电路设计，最后给出了实验波形，验证了混合钳位型拓扑 在功率等级上应用的可行性。 第7 章总结了本文的工作，并提出了今后工作的方向与展望。 5 浙江人学硕上学位论文 第2 章 第2 章混合钳位型五电平拓扑的结构和工作原理 2 1 混合钳位型五电平拓扑的电路结构和电平合成 q 图2 1 混合钳位型拓扑单臂电路图 文献【1 9 】提出的混合钳位型五电平变流器的单臂电路如图2 1 ( a ) 所示，本文从 电路合成的角度剖析该拓扑，并重新绘制电路图，如图2 1 ( b ) 所示。其中，图2 1 ( a ) 中最外侧的两个主开关i g b t 被划归到了左侧钳位开关管。混合钳位型拓扑单臂 电路共包括：7 个电容，其中c i - 4 2 4 为直流母线电容，c 5 - 4 2 7 为悬浮电容；有1 4 个开关管，均为带反并二极管的开关器件，其中i g b ts 。i s 。8 及其反并二极管为 钳位开关管， g b ts l s 6 及其反并二极管为输出主开关管；6 个钳位二极管 d 。l d 。“不计反并的二极管) 。 根据分析，可以把该拓扑看成两部分电路的合成：四电甲的二极管钳位型电 路和七电容的开关电容电路。输出主开关管s i - s 6 、钳位二极管d 。l d 。6 和悬浮 电容c 5 c 7 构成一个四电平的二极管钳位型电路；直流母线电容c l 4 、钳位开 关管s 。i s 。8 和悬浮电容c 5 戈7 构成个七电容的开关电容电路。 四电平的二极管钳位型电路共有四种工作状态，可以输出四个电平，能量可 以双向流动，每个工作状态均有三个连续的主开关管导通，其工作状态转换如图 2 2 所示，其中，黑色的主开关管表示导通的开关管，黑色的钳位二极管和主开 关管表示电流流通的路径，阴影部分的器件和连接线的电位与输出电平一致。这 6 浙 r m1 节扣硷t * 2 部分电路就是典型的二极管钳位型电路，所以这部分电路独立运行时也会存在 电容电压不平衡的问题( 此处指悬浮电容) 。 ， l 一 一一 图2 2 四电平二极管钳谊掣电路部分工作状态转换固 七电容的开关电容电路共有两种工作状态，将8 个钳位开关管分为两组：s 。，、 s c 3 、s 。5 、s 。7 一组( 为方便后文引述，记为a 组) ：s 。2 坩ss “，s d 一组( 记为b 组) ，两组开关管交替互补导通，其工作状态转换如图2 3 所示。其中，黑色的钳 位开关管为导通的开关管，灰色的钳能开关管为关断的开关管。当a 组钳位开 关管导通时卅cc ，与c 5 一c 7 分别并联以直流母线电容电位为参考悬浮电容 的电位抬升了一个电平；当b 组钳位开关管导通时，c r c 一与c s , - c 7 分别并联， 以直流母线电容电位为参考，悬浮电容的电位下降了一个电甲。 、 、， 图2 3 七电容的开关电容电路部分工作状卷转换圈 将七电容的开关电容电路的两种工作状态与四电平的二极管钳位型电路的 四种工作状态相组合，可以得到整个系统的八种工作模态，可以输出五个电平， 其中中间电平各有2 个冗余的工作模态，最高和最低电平各有1 个工作模态。表 21 所列为输出电平与各开关导通状态的对应关系，圉2 4 所示为系统8 种工作 一幽一滔 粉一网一 浙江人学硕上学位论文第2 章 模态图。 p 1 a n 执 图2 4 系统8 种工作模态图 8 p l b 1 8 n 2 8 浙i ：人学硕上学位论文第2 章 表2 1 输出电平u 0 与开关状态的关系表 开关状态 序号工作模态 输出电平u o s ls 2s 3s 4s ss 6a 组b 组 1 p 2 a + 2 u c ll l o o0lo 2p l blll0ooo1 + 1u c 3p l ao11l001o 4 o b 01 llo0ol 0 u c 5o ao0ll1o10 6n l b0011l0ol - l u c 7 n l a00o1l1lo 8n 2 b 2 u 。 o 0 0ll1ol 表注：- l - 作模态：p 表不输出正电平，n 表不输出负电平； a 表示a 组钳位开关管导通，b 表示b 组钳位开关管导通； 数字表示输出电平大小： 输出电压：u c 等于l 倍电容电压，即1 个电平电压； 开关状态：1 表示对应开关管导通，0 表示对应开关管关断。 2 2 直流母线电容电压平衡的实现 该拓扑的电容电压平衡功能是通过七电容的开关电容电路来实现的。由表2 1 可知，对应每个输出的中间电平( + 1 u 。，0 u 。，1 u c ) ，都存在两种冗余的工作模态， 并且一种对应a 组钳位开关管导通，另一种对应b 组钳位开关管导通。在输出 中间电平的条件下，当a 组钳位开关管导通时，c l c 3 分别与c 5 7 并联，则并 联的电容相互充放电实现电压相等，v c l = v c 5 ，v c 2 _ v c 6 ，v c 3 = v c 7 ；当b 组钳位 开关管导通时，c 2 c 4 分别与c 5 c 7 并联，v c 2 = v c 5 ，v c 3 = v c 6 ，v c 4 = v c 7 ；当两 组钳位开关管交替导通时，就能实现7 个电容之间的直接或间接的并联，实现7 个电容之间动态的电压平衡，v c l = v c 2 = v c 3 = v c 4 - - - v c s = v c 6 - - v c 7 。 与空间矢量控制中利用冗余开关状态调节电压平衡的方法有所不同，这种利 用开关电容平衡直流母线电容的方法，是利用悬浮电容作为中间媒介，通过它与 不同直流母线电容间的并联来实现电容电压平衡，无需电压检测装置，不受负载 特性影响，能够在各种负载条件下保证电压平衡。 9 浙江大学硕士学位论文第2 章 2 3 混合钳位五电平拓扑的控制【1 9 1 本文采用载波p w m 调制中的消谐波s p w m 调制，其调制波与载波如图2 5 所示，每个载波带对应一个开关管。 图2 5 消谐波s p w m 载波与调制波图 由表2 1 可知，如果采用工作模态p 2 a p 1 a 0 a - n 1 a - n 2 b 的逻辑组合，则图 2 5 中4 个载波带从上到下依次对应s 。l 、s l 、s 2 、s 3 四个开关管；如果采用工作 模态p 2 a p 1 b 0 b n 1 b - n 2 b 的逻辑组合，则图2 5 中4 个载波带从上到下依次对 应s l 、s 2 、s 3 、s 。l 四个开关管；为了实现直流母线电容电压平衡的功能，两套 逻辑组合周期性的交替使用，对应图2 5 中，灰色区域和白色区域的载波分别对 应不同的逻辑组合，可以得到4 个开关管实际对应的载波，如图2 6 所示。 ( a ) s 。l 对应载波( b ) s l 对应载波 ( c ) s 2 对应载波( d ) s 3 对应载波 图2 6 各开关器件实际对应载波 浙江大学硕士学化论文第3 章 第3 章混合钳位型五电平拓扑工作模态转换分析与测试 3 1 工作模态转换的分析 混合钳位型拓扑是一种新颖的工作在大功率条件下的多电平拓扑，详细的了 解在工作模态中或工作模态转换下开关器件的工作情况，有助于对系统做进一步 的设计与分析。 混合钳位型五电平拓扑共包括8 个工作模态，如图2 4 和表2 1 所示。由调 制方式可知，系统在正常运行时，只有相邻电平或相同电平之间的工作模态才能 发生直接转换，所以在本系统中，共包括1 3 种工作模态之间的相互转换，如表 3 1 所示。 表3 1 工作模态转换表 工作模态转换分类分类依据 lp 2 a p 1 a 2p i a o a 30 a n l a 只有四电平的二极管 第一类 4p 1 b n l b 6n 1 b = n 2 b 7 p 2 a n 2 b l l p l a = p 1 b 1 2o a 0 b第三类 两部分电路的器件都动作 1 3n l a n l b 由表3 1 可知，这1 3 种工作模态的相互转换可以分为三大类：第一类包括6 种转换，在这些工作模态转换中，只有二极管钳位型电路的主开关发生动作；第 二类包括4 种转换，在这些工作模态转换中，只有开关电容电路的钳位开关管发 生动作；第三类包括3 种转换，在这些工作模态转换中，两部分电路的主开关管 浙江人学硕士! 化论文 第3 章 和钳位开关管都有动作。 3 1 1 第一类工作模态转换 第一类工作模态转换实际上就是经典的四电平的二极管钳位型拓扑的工作 模态转换，每次转换只有一对互补导通的主开关管开通和关断。如图3 1 所示， 以工作模态p 2 a 和p 1 a 之间的相互转换为例进行分析。 c ， 汰 鞲蚂 哇码 p 2 a 羹 生 p 1 a 图3 1p 2 a 和p l a 工作模态转换图 首先分析输出负载电流为正的工况，即负载电流由输出端点流出。 p 2 a = p 1 a ： 转换前，负载电流自悬浮电容c 5 正极流经i g b ts l ，s 2 ，s 3 到输出端点；转 换开始，i g b ts l 关断，负载电流对s l 结电容c 。s l 充电，s l 的发射极e 极电位 下降，当该点电位低于钳位二极管d c 3 阴极电位时，d c 3 导通，负载电流路径换 流到d 。3 ，s 2 ，s 3 ，输出电平发生变化，输出+ l u 。电平，这个过程一般比较短； 死区时间结束后，i g b ts 4 导通，电路没有变化；转换后，负载电流自悬浮电容 c 6 正极流经d 。3 ，s 2 ，s 3 到输出端点。 p 1 a = p 2 a ： 转换前，负载电流自悬浮电容c 6 正极流经d c 3 ，s 2 ，s 3 到输出端点；转换开 始，i g b ts 4 关断，因为没有负载电流流经s 4 ，所以电路没有变化；死区时间结 束后，i g b ts l 导通，负载电流路径切换到s l ，输出电平发生变化，输出+ 2 u c 电平。在这个过程中，由于d 。3 的反向恢复，c 5 、s l 和钳位二极管d c 3 所组成的 环路会发生电流过冲；转换后，负载电流自悬浮电容c 5 正极流经i g b ts l ，s 2 ， s 3 到输出端点。 q q _ q q qq一一吨 矗 q _ g q 浙 i ：大学硕上学位论文 第3 章 负载电流为负，即负载电流由输出端点流入。 p 2 a - - - p 1 a ： 转换前，负载电流自输出端点经s 3 ，s 2 ，s l 的反并二极管流入电容组；转换 开始，i g b ts l 关断，因为负载电流从s l 的反并二极管流过，所以对i g b ts l 的 操作对电路没有影响；死区时间结束后，i g b ts 4 导通，负载电流路径切换到s 4 ， d 。2 ，d “，输出电平发生变化，输出+ l u 。电平，由于s l 反并二极管的反向恢复， 在c 5 、s l 的反并二极管、s 2 、s 3 、s 4 、d 。2 、d e 4 构成的环路中出现反向恢复电流， 而s 2 和s 3 的反并二极管因为变换前后两端电压不变，自身没有反向恢复现象； 转换后，负载电流自输出端点经s 4 ，d 。2 ，d “流入电容组。 p 1 a = p 2 a 转换前，负载电流自输出端点经s 4 ，d 。2 ，d c 4 流入电容组；转换开始，i g b t s 4 关断，负载电流对s 4 的结电容c s 4 充电，当s 4 的集电极c 极电位高于悬浮 电容c 5 的正极时，主开关管s 3 、s 2 、s l 的反并二极管导通，负载电流路径切换 到s 3 ，s 2 ，s l 的反并二极管，输出电平发生变化，输出电平为+ 2 u 。电平；转换 后，负载电流自输出端点经s 3 ，s 2 ，s l 的反并二极管流入电容组。 p 1 a 和0 a ，0 a 和n 1 a 之间的模态转换与p 2 a 和p 1 a 之间的模态转换近似， 只是动作的开关管不同，可以用相同的方法进行分析；而p 1 b 和0 b ，0 b 和n 1 b ， n 1 b 和n 2 b 之间的模态转换与p 2 a 和p 1 a ，p 1 a 和0 a ，0 a 和n 1 a 之间的模 态转换是完全对应的，不但动作的开关管相同，而且各开关管上的电流电压应力 也基本一致，只有悬浮电容的电位不同而已，因此也不再赘述。 经过分析可以得到第一类工作模态转换的规则： 如果输出电平由高电平向低电平转换( p 2 = p 1 ，p i = 0 ，0 = n 1 ，n 1 - - - n 2 ) ，且 负载电流为正，或者输出电平由低电平向高电平转换( p 2 = p i ，p i = 0 ，0 0 ，0 = n 1 ，n i = n 2 ) ，且 负载电流为负，或者输出电平由低电平向高电平转换( p 2 = p 1 ，p i = 0 ，0 p 2 a ： 转换前，负载电流自直流母线电容中点经两路并联的电容流出电容组，一路 流经c 2 ，s c 2 的反并二极管，一路流经s c 4 的反并二极管，c 5 ；转换开始，b 组钳 位开关管i g b t 关断，因为负载电流流过b 组钳位开关管的反并二极管，所以电 1 4 一一一一钆 q q一札一吨一 q q _ q q 毒葚毒攀毒 q q一一吨吨一q q q _ g 厶 浙江大学硕上学位论文第3 章 路没有变化；死区时间结束后，a 组钳位开关管i g b t 导通，负载电流切换到a 组钳位开关管的i g b t ，输出电平发生变化，输出电平为+ 2 u 。电平；转换后，负 载电流自直流母线电容中点经两路并联的电容流出电容组，一路流经c 2 ，c l ， s 。l ，一路流经s 。5 ，c 6 ，c 5 。 然后分析负载电流为负的工况。 p 2 a = _ p 1 b ： 转换前，负载电流自悬浮电容c 5 的正极经两路并联的电容流到直流母线电 容中点，一路流经s 。l 的反并二极管，c l ，c 2 ，一路流经c 5 ，c 6 ，s c 5 的反并二 极管，导通的s c 3 作为平衡两侧电容电压的桥梁，当两侧电容平衡时，s 。3 没有电 流流过；转换开始，a 组钳位开关管i g b t 关断，因为负载电流没有流经a 组钳 位开关管的i g b t ，所以电路没有变化；死区时间结束后，b 组钳位开关管i g b t 导通，负载电流由a 组钳位开关管的反并二极管切换到b 组钳位开关管的i g b t ， 输出电平发生变化，输出电平为+ i u 。电平；转换后，负载电流自悬浮电容c 5 的 正极经两路并联的电容流到直流母线电容的中点，一路流经s 。2 ，c 2 ，一路流经 c 5 ，s “。 p 1 b = p 2 a 转换前，负载电流自悬浮电容c 5 的正极经两路并联的电容流到直流母线电 容的中点，一路流经s 。2 ，c 2 ，一路流经c 5 ，s e a ：转换开始，b 组钳位开关管i g b t 关断，使a 组钳位开关管的反并二极管导通，负载电流由b 组的钳位开关管i g b t 切换到a 组钳位开关管的反并二极管，输出电平发生变化，输出电平为+ 2 u 。电 平；死区时间结束后，a 组钳位开关管的i g b t 导通，电路没有变化；转换后， 负载电流自悬浮电容c 5 的正极经两路并联的电容流到直流母线电容中点，一路 流经s 。l 的反并二极管，c l ，c 2 ，一路流经c 5 ，c 6 ，s 。5 的反并二极管。 p 1 a 和0 b ，0 a 和n 1 b ，n 1 a 和n 2 b 之间的工作模态的转换与p 2 a 和p 1 b 之间工作模态的转换相似，只是具体的电流路径有所不同。 经过分析，可以得到第二类工作模态转换的规则： 如果输出电平由高电平向低电平转换，且负载电流为正，或者输出电平由低 电平向高电平转换，且负载电流为负，输出电平在死区发生之前变化； 如果输出电平由高电平向低电平转换，且负载电流为负，或者输出电平由低 浙江大学硕士学位论文第3 章 电平向高电平转换，且负载电流为正，输出电平在死区发生之后变化。 3 1 3 第三类工作模态转换 第三类工作模态转换就是第一类和第二类工作模态转换的有序组合，每次转 换有一对互补导通的主开关管和a 、b 两组钳位开关管动作，并且两部分动作对 输出电平的变化影响是相反的，最终结果使转换前后输出电平保持不变。如图 3 3 所示，以工作模态p 1 a 和p 1 b 之间的相互转换为例进行分析。 p 1 a c ， p 1 b 图3 3p i a 和p i b 工作模态转换图 首先考虑负载电流为正的工况，如图3 4 所示。 p 1 a - p l b ： 转换前，负载电流自直流母线电容中点经两路并联的电容流出电容组，一路 流经c 2 ，s c 3 ，一路流经s 。5 ，c 6 ，自电容组经d c 3 ，s 2 ，s 3 流出输出端点；转换 开始，s 4 和a 组钳位开关管i g b t 关断，开关电容电路部分的电流路径切换到b 组钳位开关管的反并二极管，而二极管钳位型电路部分电流路径不变，相当于进 入了工作模态0 b ：死区时间结束后，s l 和b 组钳位开关管i g b t 导通，开关电 容电路部分的电流路径不变，而二极管钳位型电路部分电流路径切换到s l ，s 2 ， s 3 ；转换后，负载电流自直流母线电容中点经两路并联的电容流出电容组，一路 流经c 2 ，s c 2 的反并二极管，一路流经s “的反并二极管，c 5 ，自电容组经s l ， s 2 ，s 3 到输出端点。 p 1b = p 1 a ： 转换前，负载电流自直流母线电容中点经两路并联的电容流出电容组，一路 流经c 2 ，s c 2 的反并二极管，一路流经s c 4 的反并二极管，c 5 ，自电容组经s l ， 一一一一 一q一q一 q q - q q 一一一一 q q _ 白 q 浙江人学硕上学位论文第3 章 s 2 ，s 3 到输出端点；转换开始，s 1 和b 组钳位开关管i g