开关电容多电平逆变器结构与原理

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1、硕士学位论文开关电容多电平逆变器结构与原理作者姓名吴佳磊学科专业电力电子与电力传动指导教师曾君教授所在学院电力学院论文提交日期2018年6月StructuresandPrinciplesoftheSwitched-CapacitorMultilevelInverterADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：WuJialeiSupervisor：Prof.ZengJunSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,

2、China分类号：TM614学校代号：10561学号：201520111522华南理工大学硕士学位论文开关电容多电平逆变器结构与原理作者姓名：吴佳磊指导教师姓名、职称：曾君、教授申请学位级别：工学硕士学科专业名称：电力电子与电力传动研究方向：高频交流配电系统中DC/AC转换论文提交日期：2018年6月日论文答辩日期：2018年6月3日学位授予单位：华南理工大学学位授予日期：2018年6月日答辩委员会成员：主席：张淼委员：杨金明、曾君、姚国兴、陈渊睿摘要高频交流配电系统(high-frequencyacpowerd

3、istributionsystem，HFACPDS)因具有高可靠性、高功率密度、可改善系统动态性能等优点，已被广泛应用于航空航天、计算机通信等领域，其在电动汽车、微电网等新兴领域的运用也正逐步受到学界关注。HFACPDS因总线工作频率较高，对作为其电源侧的逆变器提出了新的要求，传统基于高频调制的逆变器因结构复杂、开关频率高等缺点已不再适用。基于开关电容原理的多电平逆变器(switched-capacitormultilevelinverter,SCMLI)，具有电容电压自平衡等优点，通过单个输入源与电容串并联连接

4、的转换，能够在基频调制下输出多电平阶梯波，可高效率地实现高频DC/AC转换，是实现HFACPDS电源侧功率变换较为理想的选择之一。本课题以HFACPDS为研究背景，以高效率地实现高频DC/AC转换为研究目标，以SCMLI为研究对象，提出新型结构弥补已有结构的不足。具体研究内容如下：1.在开关电容逆变器基本结构的基础上，提出一种新型9电平逆变器结构，只需1个输入源、2个电容、2个二极管和9个开关管，即可实现9电平阶梯波输出，与同类结构输出9电平阶梯波相比，减少了器件数量，提高了逆变效率。2.针对典型开关电容逆变器无

5、感性负载能力的缺点，提出一种新型N电平逆变器结构，通过减少电容充放电回路中功率器件的数量提高了逆变效率。提出一种降压型N电平逆变器结构，与前述结构原理相似、功能互补，拓宽了SCMLI的应用范围。3.针对已有SCMLI中电容与输入源并联瞬间充电电流过大的问题，引入准谐振技术，提出一种准谐振开关电容逆变器结构，有效抑制了电容的瞬时充电电流。一方面，减小了因电流变化率过高引起的电磁干扰，另一方面，通过减小充电电流尖峰，缓解了电解电容的发热，延长了其使用寿命与逆变器的生命周期。4.传统SCMLI均采用全桥电路作为后级以实

6、现前级输出的正负极性转换，后级的开关管承受了前级输出的累加电平，导致器件峰值反向电压和总电压应力过高。针对此问题，于混合逆变器结构中引入开关电容技术，提出一组低应力逆变器结构，减少了功率器件数量，降低了电压应力，使得SCMLI适合于低压输入、较高电压输出场合。论文对所提出的结构均进行了工作原理与相关参数分析，并在此基础上，进行了实验验证，结果均证明了所提结构的可行性与理论分析的正确性，同时证明了所提出的开关电容逆变器适合用于HFACPDS的电源侧，高效地实现高频DC/AC转换。关键词：高频交流配电系统；开关电容多

7、电平逆变器；准谐振；低应力IABSTRACTDuetothemeritsofhighreliability,highpowerdensity,beingabletoimprovethesystem’sdynamicperformance,andetc.,thehigh-frequencyacpowerdistributionsystem(HFACPDS)hasbeenwidelyappliedintoaeronautics,astronautics,andcomputercommunications.Itsapp

8、licationsinemergingfields,suchaselectricvehiclesandmicro-grids,havealsobeenpaidattentiontoduringrecentyears.SincethedistributionbusofHFACPDSoperatesinhighfrequency,newdemandshavebeenputfo