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三电平ANPC变换器结温均衡调制策略研究

朱信威  
【摘要】:三电平二极管中点箝位型(Neutral point clamped,NPC)变换器存在功率器件结温分布不均衡的缺点。三电平有源中点箝位型(Active neutral point clamped,ANPC)变换器可以有效解决这一问题。本文以三电平ANPC变换器为研究对象,主要对其基本工作原理、调制算法以及功率器件损耗和结温均衡问题等方面展开研究。首先分析了三电平ANPC变换器拓扑结构及工作原理,介绍了三电平ANPC变换器三种基本的脉冲宽度调制方法(Pulse width modulation,PWM)。为了解决三电平ANPC变换器的中点电位不平衡问题,设计了中点电位平衡算法,该算法能够有效抑制中点电位偏移和波动问题。对三电平ANPC变换器的死区效应进行了分析并设计了死区补偿算法,该算法能有效解决添加死区导致的电压输出降低问题。为了研究三电平ANPC变换器功率器件损耗和结温的分布特点,介绍了绝缘栅双极晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)和功率二极管的开关过程、损耗模型以及IGBT模块热网络模型,并设计了IGBT模块的损耗计算模型。在此基础上研究了三电平ANPC变换器在三种基本PWM方法下功率器件损耗和结温的分布特点,并深入分析了功率器件损耗和换流方式之间的关系。研究了三电平ANPC变换器的调制策略,介绍了三电平正弦波脉宽调制(Sine pulse width modulation,SPWM)、空间矢量脉宽调制(Space vector pulse width modulation,SVPWM)和特定谐波消除脉宽调制(Selected harmonic elimination pulse width modulation,SHEPWM)三种调制方法,并对三种PWM方法的频谱特征进行了分析。为了充分利用三电平ANPC变换器均衡功率器件结温的优势,本文提出一种结温前馈开环控制SHEPWM调制策略,并进行了仿真和实验验证。研究结果表明该调制策略能够有效均衡器件的耗散功率和结温分布,同时能够消除指定低次谐波,具有一定优越性。最后在三电平ANPC变换器实验平台上完成了三种调制算法、中点电位平衡控制、死区补偿以及结温均衡调制策略等实验。实验结果验证了本文所研究的三电平ANPC变换器调制策略的可行性和有效性。


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