关于混合箝位型五电平逆变器的IGBT阻断电压平衡、数字控制及脉宽调制方法的研究

论文摘要

多电平变换器因具有小的输出波形THD值、低的器件电压应力和低的系统EMI等优点而成为高压大功率研究应用的热点,相应的PWM控制方法也成为研究热点。本文详细分析了详细分析了在混合箝位型五电平逆变器的各种开关切换过程中,杂散电感储能和二极管单向箝位如何引起IGBT阻断电压不平衡。针对该问题,提出一种新型的解决方法。方法简单,成本低,在二极管箝位多电平拓扑中具有普遍适用性。并给出实验波形验证该解决方法的正确性及可行性。由于混合箝位型多电平逆变器的开关管数目较多,本文采用了DSP+FPGA的软硬结合结构对混合箝位型三相五电平逆变器进行数字控制。DSP进行各开关管脉冲宽度的计算,发挥了其软件编程的灵活性;FPGA进行带死区的PWM控制信号的输出,发挥了其I/O口资源丰富和配置灵活的优点,进行制动单元的控制和故障保护,发挥了其硬件并行运行的优点。给出混合箝位型三相五电平样机实验波形,验证控制方法的可行性。根据三角载波的不同锐角朝向会导致器件不同的开关动作,本文在适用于混合箝位型五电平逆变器的开关状态组合的消谐波PWM调制方法的基础上进行改进,提出了一种新型的PWM调试方法——锐角朝向组合优化PWM方法。该PWM方法中,处于较高载波带的载波锐角朝上,处于较低载波带的载波锐角朝下。它可以减少开关管的开关损耗;特别是在低调制度场合,在开关频率保持不变时可以有效减少部分开关管的开关损耗,或在不超过允许最大开关损耗的前提下可以提高3/2倍的开关频率。并对开关状态组合的消谐波PWM方法和锐角朝向组合优化PWM方法下的相电压和线电压进行仿真和频谱分析比较。最后给出该调制方法的软件编程和样机实验波形。最后对本文的研究内容进行总结,并对将来的研究方向进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 多电平逆变器的优势
• 1.2 混合箝位型五电平逆变器拓扑
• 1.3 混合箝位型五电平逆变器调制策略
• 1.4 电力电子装置的数字控制技术的发展趋势
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 混合箝位型五电平逆变器IGBT阻断电压的平衡
• 2.1 输出正负电平时的电流双向通路
• 2.2 IGBT正向阻断电压不平衡及新型解决方法的提出
• 2.2.1 IGBT正向阻断电压不平衡的原因及危害
• 2.2.2 一种新型的IGBT正向阻断电压不平衡解决方法
• 2.3 新型的IGBT正向阻断电压不平衡解决方法在改进型二极管箝位型多电平拓扑中的应用
• 第3章 基于DSP与FPGA的控制平台
• 3.1 总体系统框图
• 3.2 DSP程序设计
• 3.2.1 程序结构
• 3.2.2 脉冲宽度的计算
• 3.2.3 DSP和FPGA之间的数据传送
• 3.3 FPGA设计
• 3.3.1 FPGA芯片特性及Quatuse Ⅱ软件介绍
• 3.3.2 VHDL语言及编程
• 3.4 样机实验波形
• 第4章 一种适用于混合箝位型五电平逆变器的新型的PWM控制方法—锐角朝向组合优化PWM方法的研究
• 4.1 五电平混合箝位逆变器的平均值模型
• 4.2 锐角朝向组合优化PWM方法的提出
• 4.3 锐角朝向组合优化PWM方法的分析
• 4.3.1 开关损耗减少分析
• 4.3.2 输出电压频谱分析
• 4.4 锐角朝向组合优化PWM方法的软件编程及实验波形
• 第5章 总结和展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 今后的工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表的论文
• 致谢