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混合三电平有源中点钳位逆变器中中性点电压平衡控制
Control of the Neutral Point Voltage Balance in the Hybrid Three-Level Active Neutral-Point Clamped Inverter
| 作者 | |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 三电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 三电平混合有源中点钳位逆变器 直流母线中点电压平衡 集成控制方法 混合脉宽调制 开关损耗 |
语言:
中文摘要
混合式三电平有源中点钳位(3L - HANPC)逆变器兼具高功率密度和低成本的特点,在储能系统、电动汽车等领域具有很强的应用潜力。对于直流母线不平衡的 3L - HANPC 逆变器而言,在整个调制比(m)和功率因数(PF)范围内控制直流母线中点电压(NPV)平衡是一项重大挑战,尤其是在力求将开关损耗降至最低时。为解决这一问题,我们提出了一种新的集成控制方法。该方法包括门极驱动信号分配和混合脉宽调制(HPWM)策略。门极驱动信号分配将混合调制策略的应用从传统的三电平中点钳位逆变器扩展到了 3L - HANPC 逆变器。我们设计了一个氮化镓/硅 3L - HANPC 样机来验证这一方法。实验结果表明,HPWM 能在整个调制比和功率因数范围内将中点电压波动有效控制在 ±3 V 以内。与空间矢量脉宽调制相比,在 75%的调制比和功率因数范围内,HPWM 可将开关损耗降低 15% - 50%,在剩余 25%的范围内,开关损耗最多可降低 25%。
English Abstract
Hybrid three-level active neutral point clamped (3L-HANPC) inverters feature both high power densities and low costs, and have strong application potential in energy storage systems, electric vehicles, and other fields. Controlling the dc bus neutral point voltage (NPV) balance across the entire modulation index (m) and power factor (PF) range for 3L-HANPC inverters with unbalanced dc links is a significant challenge, particularly when aiming to minimize switching losses. To solve this problem, we propose a new integrated control method. The method includes gate drive signal distribution and a hybrid pulsewidth modulation (HPWM) strategy. The gate drive signal distribution extends the application of a hybrid modulation strategy from traditional three-level neutral point clamped inverters to 3L-HANPC inverters. A GaN/Si 3L-HANPC prototype was devised to validate this approach. Experimental results show that HPWM effectively controls NPV fluctuations within ±3 V across the entire m and PF range. Compared to space vector pulsewidth modulation, HPWM reduces switching losses by 15%–50% over 75% of the m and PF range, and by up to 25% in the remaining 25%.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文提出的混合三电平有源中点钳位(3L-HANPC)逆变器中点电压平衡控制技术具有重要的战略价值。该技术通过创新的门极驱动信号分配和混合脉宽调制策略,在全调制指数和功率因数范围内将中点电压波动控制在±3V以内,同时在75%的工作区间内实现15%-50%的开关损耗降低,这直接契合我司在光伏逆变器和储能系统领域对高效率、高功率密度的核心需求。
对于阳光电源的储能变流器产品线,该技术的高功率密度和低成本特性可显著提升系统集成度,降低BOM成本。特别是GaN/Si混合方案的应用,为我司正在推进的宽禁带半导体技术路线提供了实践参考。在电动汽车充电桩业务中,该技术在不平衡直流母线条件下的稳定控制能力,可增强产品在复杂工况下的适应性。
从技术成熟度评估,论文已完成原型验证,但距离工业化应用仍需关注几个关键问题:一是GaN器件的长期可靠性和成本下降趋势;二是混合调制策略在极端环境温度下的鲁棒性;三是与我司现有数字控制平台的兼容性。建议技术中心重点跟踪该方向,开展中点电压平衡算法的仿真验证,评估在1500V光伏系统和大容量储能PCS中的应用可行性。
该技术对我司构建差异化竞争优势具有战略意义,特别是在高端工商业储能和电网侧储能市场,效率提升带来的度电成本下降将直接转化为市场竞争力。建议将其纳入下一代逆变器平台的预研计划。