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电动汽车驱动 ★ 5.0

一种提高飞跨电容寿命并减小其体积的单相七电平嵌套开关电容变换器

A Single-Phase Seven-Level Nested Switched-Capacitor Converter With Enhancing Lifetime and Reducing Size of Flying Capacitors

作者 Javad Ebrahimi · Amirhosein Akbari · Suzan Eren · Alireza Bakhshai
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年3月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 七电平嵌套开关电容逆变器 飞跨电容 冗余开关状态 电容电压平衡方法 电容使用寿命
语言:

中文摘要

本文介绍了一种七级嵌套开关电容(7L - NSC)逆变器拓扑,该拓扑旨在减少飞跨电容数量并延长其使用寿命。所提出的 7L - NSC 拓扑采用两个对称的飞跨电容,每个电容的额定电压为直流电源电压的三分之一。冗余开关状态以及基于总体优先级指标的电容电压平衡方法确保了所提出的拓扑在所有工作点均能正常运行。通过引入冗余开关状态和基于总体优先级指标的电容电压平衡方法,该拓扑可确保在各种工作点下稳定运行。与现有的七级结构进行的全面比较凸显了 7L - NSC 在元件数量及其电压额定值、所需电容体积及其电压纹波方面的优势。对飞跨电容进行了全面的寿命分析,将所提出的拓扑与先前的设计进行了对比。通过详细的数学建模以及对不同负载条件和调制指数下电容电压纹波的评估,结果表明,由于电压分布对称且应力减小,所提出的 7L - NSC 显著延长了电容的使用寿命。搭建了 7L - NSC 拓扑的实验室样机并进行了仿真,以验证所提出的逆变器在不同工作条件下的可行性。

English Abstract

This article introduces a seven-level nested switched-capacitor (7L-NSC) inverter topology designed to reduce the flying capacitors and extend their operational lifetime. The proposed 7L-NSC topology utilizes two symmetrical flying capacitors, each rated at one-third of the dc source voltage. The redundant switching states along with a capacitor voltage balancing method based on an overall priority index provide proper operation of the proposed topology in all operating points. By incorporating redundant switching states and a capacitor voltage balancing method based on an overall priority index, the topology ensures stable operation across various operating points. Comprehensive comparisons with existing seven-level structures highlight the advantages of the 7L-NSC in terms of the number of components and their voltage ratings, as well as the required capacitor volumes and their voltage ripples. A comprehensive lifetime analysis of flying capacitors, comparing the proposed topology with prior designs, is performed. Through detailed mathematical modeling and evaluation of capacitor voltage ripples under varying load conditions and modulation indexes, it is demonstrated that the proposed 7L-NSC significantly enhances the operational lifetimes of capacitors as a result of symmetrical voltage distribution and reducing stress. A laboratory-prototyped 7L-NSC topology is implemented along with the simulation to verify the feasibility of the proposed inverter under different operating conditions.
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SunView 深度解读

从阳光电源光伏逆变器和储能系统业务视角来看,这项七电平嵌套式开关电容(7L-NSC)拓扑技术具有重要的应用价值。该技术通过创新的对称飞跨电容设计和基于优先级指数的电压平衡策略,有效解决了多电平逆变器中飞跨电容寿命短、体积大的核心痛点。

对于阳光电源的产品线,该技术可直接应用于户用和工商业光伏逆变器领域。七电平输出能够显著降低谐波含量,减少输出滤波器的体积和成本,这对提升产品功率密度和系统效率具有实质性意义。特别是在储能变流器(PCS)应用中,飞跨电容寿命的延长直接关系到系统的长期可靠性和维护成本,这与阳光电源追求25年以上产品生命周期的战略目标高度契合。

技术成熟度方面,论文已完成实验室样机验证,证明了在不同工况下的可行性。但从产业化角度看,仍需关注几个关键挑战:首先是电容电压平衡算法在极端工况下的鲁棒性,特别是在电网扰动和不平衡负载条件下;其次是开关器件的动态损耗优化,多电平拓扑的开关频率和损耗分布需要精细化设计;第三是成本竞争力,需评估相对于传统三电平或NPC拓扑的综合性价比。

该技术为阳光电源在高可靠性应用场景(如数据中心UPS、微电网储能系统)提供了差异化竞争优势。建议优先在中小功率段(50-100kW)储能变流器上进行技术验证,积累运行数据后再向更高功率等级拓展,同时可结合公司在SiC功率器件应用方面的技术积累,进一步挖掘该拓扑的性能潜力。