三电平ANPC变换器结温均衡调制策略研究

发布时间：2018-11-04 10:12

【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。
[Abstract]:Three-level diode Neutral Point clamp (Neutral point clamped,NPC) converter has the disadvantage of unbalanced temperature distribution of power device junction. The three-level active neutral point clamp (Active neutral point clamped,ANPC) converter can solve this problem effectively. In this paper, a three-level ANPC converter is studied, including its basic principle, modulation algorithm, loss of power devices and junction temperature equalization. Firstly, the topology and working principle of three-level ANPC converter are analyzed, and three basic pulse width modulation methods (Pulse width modulation,PWM) of three-level ANPC converter are introduced. In order to solve the neutral point potential imbalance problem of three-level ANPC converter, a neutral point potential balance algorithm is designed, which can effectively suppress the neutral point potential offset and fluctuation. The dead-time effect of three-level ANPC converter is analyzed and a dead-time compensation algorithm is designed. This algorithm can effectively solve the problem of voltage output reduction caused by adding dead-time. In order to study the distribution characteristics of power device loss and junction temperature in three-level ANPC converter, the switching process, loss model and thermal network model of IGBT module for insulated gate bipolar transistor (Insulated gate bipolar transistor,IGBT) and power diode are introduced. The loss calculation model of IGBT module is designed. On this basis, the distribution characteristics of loss and junction temperature of three-level ANPC converter under three basic PWM methods are studied, and the relationship between power device loss and commutation mode is deeply analyzed. The modulation strategy of three-level ANPC converter is studied. Three level sine wave pulse width modulation (Sine pulse width modulation,SPWM), space vector pulse width modulation (Space vector pulse width modulation,SVPWM) and special harmonic elimination pulse width modulation (Selected harmonic elimination pulse width modulation,) are introduced. SHEPWM) and the spectral characteristics of the three PWM methods are analyzed. In order to make full use of the advantage of three-level ANPC converter to equalize the junction temperature of power devices, a novel open-loop control SHEPWM modulation strategy for junction temperature feedforward control is proposed and verified by simulation and experiment. The results show that the proposed modulation strategy can effectively equalize the dissipation power and junction temperature distribution of the device and eliminate the specified low order harmonics. Finally, three modulation algorithms, neutral point potential balance control, dead-time compensation and junction temperature equalization modulation strategy, are completed on a three-level ANPC converter experimental platform. The experimental results verify the feasibility and effectiveness of the modulation strategy of the three-level ANPC converter studied in this paper.
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM46

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 李学生;张新闻;常玉峰;程中普;;基于半导体功率损耗的小型风电变换器可靠性研究[J];电力系统保护与控制;2015年19期

2 戴彦德;吕斌;冯超;;“十三五”中国能源消费总量控制与节能[J];北京理工大学学报(社会科学版);2015年01期

3 贾宏杰;穆云飞;余晓丹;;对我国综合能源系统发展的思考[J];电力建设;2015年01期

4 汪建平;;科学谋划“十三五” 服务国家能源发展战略[J];中国电力企业管理;2014年23期

5 孙微;刘钧;苏伟;邰翔;;直接冷却IGBT功率模块散热性能研究[J];电工电能新技术;2014年04期

6 吴岩松;罗皓泽;李武华;何湘宁;邓焰;;用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究[J];电工电能新技术;2014年03期

7 王鹏帅;韩如成;;多电平逆变器主电路拓扑结构综述[J];自动化仪表;2013年10期

8 王国强;王志新;李爽;;模块化多电平变流器的直接功率控制仿真研究[J];中国电机工程学报;2012年06期

9 杜毅;廖美英;;逆变器中IGBT模块的损耗计算及其散热系统设计[J];电气传动自动化;2011年01期

10 康劲松;巫影;张烨;陶生桂;;三电平变流器多载波PWM控制技术研究[J];同济大学学报(自然科学版);2010年01期

相关博士学位论文 前4条

1 王晓宇;级联式多电平变流器控制与保护技术研究及应用[D];华北电力大学;2015年

2 景巍;大功率三电平变频器功率器件损耗研究[D];中国矿业大学;2011年

3 胡存刚;多电平二极管箝位型逆变器PWM控制方法及相关问题的研究[D];合肥工业大学;2008年

4 李海山;基于IGCT的中压大容量三电平NPC逆变器PWM技术和缓冲电路的研究[D];中国科学院研究生院（电工研究所）;2005年

相关硕士学位论文 前5条

1 于浩;NPC三电平逆变器中点电位的控制方法研究[D];安徽大学;2014年

2 马前进;NPC三电平光伏并网逆变器控制策略研究[D];华南理工大学;2014年

3 梁雪峰;级联多电平逆变器在STATCOM中的应用研究[D];华北电力大学;2012年

4 徐曦;级联型多电平逆变器控制策略的研究[D];重庆大学;2010年

5 金舜;一种“中点控制+窄脉冲消除+死区补偿”的三电平PWM控制算法[D];西安理工大学;2003年

，

本文编号：2309512