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一种用于驱动系统的单直流电源多电平逆变器,具有扩展的线性调制范围和容错能力
A Single DC Source Multilevel Inverter for Drives With Increasing Linear Modulation Range and Fault Tolerant Capability
| 作者 | Vaidika T. Pardhi · Rohith Pottekkat · Vivek R. S. · K. Gopakumar · Loganathan Umanand · Dariusz Zielinski |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 三电平 多电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 七电平混合逆变器 正弦控制 线性调制范围 容错性 电动汽车 |
语言:
中文摘要
所提出的七电平混合多电平逆变器将三电平飞跨电容逆变器与级联 H 桥逆变器相结合。其主要目标是开发一种七电平拓扑结构,该结构使用正弦控制在线性和扩展线性调制范围内均能高效运行。这种设计在保留多电平结构的同时,通过正弦脉冲宽度调制(PWM)扩展了线性调制范围。通过对正弦 PWM 的过调制区域进行线性化处理,该系统改善了弱磁运行时的性能,而传统的六步逆变器在弱磁运行时会产生低次谐波。在这种拓扑结构中,即使在扩展线性调制范围内,相电压基波峰值的最大值仍保持为直流母线电压的 0.637 倍。该逆变器具有容错能力,若某个 H 桥开关发生故障,飞跨电容逆变器仍能提供正弦电流,确保电机驱动系统继续平稳、不间断地运行。所提出的设计采用单一直流电源,减少了开关数量,并使用低额定电压的半导体开关,因此比其他七电平拓扑结构更高效。它特别适用于电动汽车和通用交流电机驱动。通过空间矢量冗余,电容器在所有动态条件下都能保持平衡,从而使输出相电压维持适当的电压水平。所提出方法的有效性已在稳态和瞬态条件下通过实验得到验证。
English Abstract
The proposed seven-level hybrid multilevel inverter integrates a three-level flying capacitor with a cascaded H-bridge inverter. The main goal is to develop a seven-level topology that operates efficiently in both linear and extended linear modulation ranges using sinusoidal control. This design expands the linear modulation range with sinusoidal pulse width modulation (PWM) while preserving the multilevel structure. By linearizing the over-modulation region with sinusoidal PWM, the system improves performance during flux weakening, where conventional six-step inverters generate lower-order harmonics. In this topology, the maximum phase peak fundamental remains 0.637 times the dc-link voltage, even in the extended linear modulation range. The inverter is fault-tolerant, ensuring the motor drive continues to operate smoothly and without interruption if an H-bridge switch fails, with the flying capacitor inverter still providing sinusoidal currents. The proposed design uses a single dc source, a reduced switch count, and low-rated voltage semiconductor switches, making it more efficient than other seven-level topologies. It is particularly well-suited for electric vehicles and general ac motor drives. Capacitors remain balanced under all dynamic conditions through space vector redundancies, maintaining proper voltage levels in the output phase voltages. The effectiveness of the proposed method has been experimentally validated in both steady and transient states.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项七电平混合多电平逆变器技术具有显著的应用价值和战略意义。该拓扑结构通过集成三电平飞跨电容与级联H桥,实现了单直流源供电、降低开关数量和开关电压等级的优化设计,这与我司在光伏逆变器和储能系统中追求的高效率、低成本目标高度契合。
技术的核心创新在于扩展线性调制范围并实现正弦脉宽调制控制,这对我司电动汽车驱动业务尤为关键。在弱磁工况下,传统六步逆变器产生的低次谐波问题一直制约着电机驱动系统的性能,而该技术通过线性化过调制区域有效解决了这一痛点。相位基波峰值保持在直流母线电压0.637倍的特性,为我司开发高功率密度的电驱系统提供了新思路。
特别值得关注的是其容错能力设计。当H桥开关故障时,系统仍能依靠飞跨电容逆变器维持正弦电流输出,这种不间断运行能力对储能系统和光伏并网应用的可靠性要求极为重要。空间矢量冗余实现的电容自平衡技术也简化了控制复杂度,降低了系统维护成本。
从技术成熟度评估,该方案已通过稳态和暂态实验验证,具备工程化应用基础。然而,飞跨电容的长期可靠性、多电平调制算法的实时计算负荷,以及在大功率场景下的热管理优化仍是产业化需要攻克的挑战。建议我司重点关注该技术在电动汽车驱动器和储能变流器中的适配性研究,评估其与现有SiC功率器件平台的集成潜力,这可能为我司在新能源汽车和工商业储能市场开辟新的技术优势。