ANPC三电平变换器开路故障容错控制研究

在工业应用中,功率变换器的可靠性和容错能力越来越受到重视。针对有源中点箝位(ANPC)三电平变换器拓扑结构的特点,分别提出在单功率器件和多功率器件开路故障下的容错控制策略。在分析ANPC三电平变换器发生功率器件开路故障时电流流通路径变化的基础上,通过修改功率器件的开关状态和开关顺序,可使变换器在故障后仍保持中点电压平衡和对称的三相输出。同时分析了不同组合下多器件开路故障后的容错能力,并提出相应的容错控制策略。实验结果表明所提控制策略的正确性和优越性。     

零电压开关多谐振三电平直流变换器

本文提出一族零电压开关多谐振三电平直流变换器(Zero-voltage-switching multi-resonant three-level converters，ZVS-MR-TLCs)，它是在三电平变换器的基础上加入LCC谐振网络实现ZVS，开关管和二极管的结电容以及变压器的漏感被利用。本文以Buck ZVS-MR-TLC为例分析它的工作原理和特性，并与传统的两电平零电压开关多谐振变换器(ZVS-MRC)进行比较。与两电平ZVS-MRC相比，ZVS-MR-TLC功率器件的电压应力降低，实现ZVS的负载范围变宽，滤波电感和滤波电容大大减小。最后给出了实验结果。     

零电压开关多谐振三电平直流变换器

该文提出一族零电压开关多谐振三电平直流变换器(Zero-voltage-switching multi-resonant three-leve lconverters，ZVS-MR-TLCs)，它是在三电平变换器的基础上加入LCC谐振网络实现ZVS，开关管和二极管的结电容以及变压器的漏感被利用。该文以Buck ZVS-MR-TLC为例分析它的工作原理和特性，并与传统的两电平零电压开关多谐振变换器(ZVS-MRC)进行比较。与两电平ZVS-MRC相比，ZVS-MR-TLC功率器件的电压应力降低，实现ZVS的负载范围变宽，滤波电感和滤波电容大大减小。最后给出了实验结果。     

谷值电流控制三电平Buck变换器

三电平Buck变换器能使开关管的电压应力减小为输入电压的一半,使电感电流脉动频率为开关频率的两倍,减小滤波器的尺寸.为了实现以上的优点,使变换器具有较高的功率密度,必须保持飞跨电容的电压为输入电压的一半.为此,采用谷值电流控制的方法,通过平衡电感电流来调节飞跨电容上的电压,实现飞跨电容电压稳定.建立三电平Buck变换器谷值电流控制的小信号模型,以获得小信号传递函数模型,进而对其补偿网络进行了设计.仿真验证了理论的正确性和控制策略的可行性.     

基于三电平子模块的倍电平复合式MMC变换器

为了降低模块化多电平变换器MMC(modular multilevel converter)的接线复杂度和通信失效故障概率,ABB提出了采用压接式IGBT串联的级联两电平CTL(cascaded two-level)变换器。由于桥臂子模块数由数百降为几十,CTL变换器输出电压电平数较少,需要在交流侧安装滤波器。为此,提出了基于三电平TL(three-level)子模块的倍电平复合式MMC变换器VLD-HMMC(voltage-level-doubler hybrid MMC)。每个桥臂有TL、半桥HB(halfbridge)子模块混合组成,且交流侧串联有一个全桥FB(full-bridge)子模块,输出电压电平数提高了1倍,从而省去了交流滤波器。各子模块具有脉冲自主触发功能且其功率开关由压接式器件串联组成,降低了桥臂子模块数,简化了控制器与主电路之间的接线复杂度,降低了通信故障的概率。单个功率开关短路故障不会影响系统正常运行,并且可避免了子模块电容的过度放电,保护电容器和功率开关,提高变换器的可靠性及故障穿越能力。所提拓扑结构实现了直流故障穿越运行,为HVDC换流站的设计提供了技术参考。     

一种具有自修复功能的多电平变换器拓朴

从提高复杂多电平变换器的可靠性出发，提出了一种具有类似生物系统自修复功能的多电平变换器拓扑。电路拓扑工作原理的分析结果表明，该拓扑在正常工作情况下所有开关管均承受单位电平的电压应力，并且以较少的飞跨电容实现每个电压电平的自动平衡。该拓扑不需要任何复杂的中点电位平衡电路或控制措施。文中详细分析了电路中开关管故障对多电平变换器系统运行和器件电压应力的影响。分析结果表明，当某些开关管出现短路或断路故障时，通过简单的软件重构改变驱动信号，利用冗余开关状态组合，电路仍能得到所有电平的正常输出和直流侧电容的电压自平衡，真正实现了原有功能的自修复。整个多电平变换器系统的可靠性由此提高。文中以五电平变换器为例进行了分析研究，并通过仿真实验进行验证。     

基于数字控制的三电平LLC谐振变换器设计

三电平直流变换器可降低功率开关器件承受的电压应力,在高压输入场合可选择低压器件,有利于功率器件的选择.三电平LLC谐振变换器不仅能实现初级开关器件的ZVS,还能实现输出整流二极管的ZCS,有利于提高变换器效率,降低电磁干扰.详细分析了三电平半桥LLC谐振变换器的工作原理、控制方式及主要参数设计,采用数字控制完成了800 W样机实验.实验结果验证了理论分析的正确性及该变换器的高效性.     

新型低电压应力的电容自均衡七电平逆变器

针对传统多电平逆变器存在的功率器件电压应力高以及电容电压平衡困难的问题,提出一种七电平逆变器拓扑。采用同相层叠脉宽调制策略,研究了开关电容技术与传统多电平逆变器结构的结合,实现七电平电压输出。所提七电平逆变器后端不使用全桥结构得到负电平,开关器件的电压应力小;电容电压能实现自均衡,无需使用传感器检测电容电压,避免了复杂的控制策略和额外的控制回路;可以工作在不同调制因数下;可通过级联来实现更多的输出电平。讨论了逆变器的工作原理、调制策略以及器件电压应力,设计了仿真与实验样机对理论分析结果进行了验证。     

一种新型开关电感、开关电容的高增益Boost变换器

为提高DC-DC工作增益,提出一种基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器。该新型变换器综合了开关电感和开关电容的优点,降低功率元件的电压应力,实现对导通电阻较小的功率元件的选择,减小功率元件的导通损耗,使得变换器能应用于增益较大、元器件电压应力较小的场合。基于开关电感/电容的新型高增益Boost变换器的工作原理进行理论分析,并设计制造了一台原理样机。通过和实验验证了理论分析的正确性。     

一种混合开关电感和开关电容的高增益DC/DC变换器

针对传统Z源DC/DC变换器存在的输入电流不连续、输出电压增益不够高和功率器件电压应力较高等不足,利用开关电感和开关电容技术,提出了一种混合开关高增益DC/DC变换器。该变换器主电路中只用到1个储能电容,结构简单,与现有典型的高增益阻抗源DC/DC变换器相比,所提出的混合开关电感和开关电容的DC/DC变换器可以实现更高的输出电压增益,同时电容和开关器件的电压应力较低。详细分析了所提变换器的工作原理,通过在实验室中所建立的输入电压16～40 V、输出电压26～107 V和输出功率7～114 W的原型验证了其性能。