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电动汽车驱动 三电平 ★ 5.0

一种用于800V电动汽车动力总成的三电平辅助谐振换流极逆变器

A Three-Level Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter for 800-V Electric Vehicle Powertrain

作者 Bijan Elyasi · Farzad Tahami · Ghasem Rezazadeh · Hadi Nouri
期刊 IEEE Transactions on Industrial Electronics
出版日期 2024年7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 电动汽车逆变器 三电平逆变器 中点钳位逆变器 软开关 辅助谐振换流极电路
语言:

中文摘要

将电动车辆(EV)公交车的电压从400 V提升至800 V对电动汽车逆变器的设计产生了重大影响。三电平逆变器旨在应对高电池电压。在三电平逆变器拓扑中,中性点钳位(NPC)逆变器具有更好的谐波频谱和更低的半导体损耗,这使得其能够实现更高的功率密度和更简单的冷却系统。然而,在这种拓扑结构中,更高的开关频率会导致逆变器产生更多的功率损耗。较高的开关频率能力使得高速电机的应用成为可能,从而减小了电力驱动系统的整体尺寸。本文提出了一种新型软开关NPC逆变器,其中单向辅助谐振换流极(ARCP)电路辅助从钳位二极管到晶体管的换流过程,并消除了这一转换过程中的损耗。在这种拓扑结构中,所有辅助开关实现了零电流开关(ZCS),主外侧开关实现了零电压开关(ZVS)。与传统的变压器辅助ARCP拓扑不同,该结构无需使用饱和电感来复位变压器,从而使设计更加紧凑。在一台3千瓦样机上的仿真和实验结果验证了所提出的拓扑在实现软开关方面的有效性。

English Abstract

Shifting the electric vehicle (EV) bus voltage from 400 to 800 V has a major impact on EV inverters design. Three-level inverters are designed to cope with high battery voltage. Among three-level inverter topologies, the neutral point clamped (NPC) has better harmonic spectrum and lower semiconductor losses, which results in achieving higher power density and simpler cooling system. Nevertheless, in this topology, higher switching frequencies will result in more power losses in the inverter. The higher switching frequency capability enables the use of higher speed motors leading to overall reduction in the size of the electric drive system. This article proposes a new soft-switching NPC inverter in which a unidirectional auxiliary resonant commutated pole (ARCP) circuit assists commutation from the clamped diodes to the transistors and eliminates losses of this transition. In this topology, zero-current switching (ZCS) for all auxiliary switches and zero-voltage switching (ZVS) for main outer switches is achieved. Unlike the conventional transformer-assisted ARCP topologies, this structure does not utilize a saturable inductor to reset the transformer, which leads to a more compact design. Simulation and experimental results on a 3-kw prototype verify the effectiveness of the proposed topology in terms of achieving soft-switching.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这篇论文提出的三电平辅助谐振换流极(ARCP)逆变器技术虽然针对800V电动汽车动力系统,但其核心技术理念与我们在光伏逆变器和储能系统领域的技术演进方向高度契合。

该技术的核心价值在于通过软开关技术实现中性点钳位(NPC)拓扑在高开关频率下的低损耗运行。这与阳光电源当前在大功率光伏逆变器和储能变流器中追求的高效率、高功率密度目标完全一致。特别是论文提出的单向ARCP电路设计,实现了主开关的零电压开关(ZVS)和辅助开关的零电流开关(ZCS),这种损耗控制技术可直接借鉴到我们的1500V光伏系统和高压储能PCS产品中。

从技术成熟度评估,该方案已完成3kW原型验证,但距离工业化应用仍有距离。对阳光电源而言,关键机遇在于:首先,该技术可助力我们突破当前三电平逆变器在高频化应用中的效率瓶颈,提升产品竞争力;其次,取消饱和电感的变压器复位设计使系统更加紧凑,符合我们追求高集成度的产品战略;第三,该技术在电动汽车领域的应用经验可为我们拓展充电桩、V2G等业务提供技术储备。

然而技术挑战同样明显:辅助谐振电路增加了系统复杂度和成本,需要在大功率等级(数百kW至MW级)下验证其可靠性和经济性;谐振参数设计对宽负载范围的适应性需要深入研究。建议我们的研发团队重点关注该技术在储能双向变流器中的适配性,评估将其整合到现有产品平台的可行性,这可能成为下一代高效储能系统的关键使能技术。