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一种基于混合型NPC与飞跨电容支路的多电平有源磁轴承驱动器
A Novel Multilevel Converter as Active Magnetic Bearing Drive Based on Hybrid NPC With Flying-Capacitor Leg
| 作者 | Jianfu Ding · Yuanhao Xie · Dong Jiang · Zicheng Liu · Yixuan Shuai · Mingqu Zhou |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industrial Electronics |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 电动汽车驱动 |
| 技术标签 | 多电平 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 多级功率转换技术 有源磁轴承驱动器 混合中点钳位 电磁干扰 悬浮精度 |
语言:
中文摘要
多电平功率转换技术是电力电子领域的一项重大进展，而主动磁轴承（AMB）驱动器是一种典型的电力电子设备。本文介绍了一种新型混合中性点钳位（NPC）多电平AMB驱动器，该驱动器集成了一个飞跨电容（FC）桥臂，将传统的NPC结构与FC结构相结合。它将磁轴承（MB）绕组的电压电平从三电平提升至五电平，从而增强了系统的电压容量，并使电流响应速度更快。此外，在相同的电压电平下，这种方法改善了AMB驱动器的电磁干扰（EMI）特性，减小了电流纹波和功率损耗，并提高了MB的悬浮精度。所提出的拓扑结构及其控制方法的有效性已在MB鼓风机实验平台上得到了严格验证，证明了它们的实际适用性和性能优势。
English Abstract
Multilevel power conversion technology represents a significant advancement in the field of power electronics, and the active magnetic bearing (AMB) drive is a typical power electronics equipment. This article introduces a novel hybrid neutral point clamped (NPC) multilevel AMB drive that incorporates a flying-capacitor (FC) leg, merging traditional NPC structures with the FC configuration. It upgrades the voltage levels of the magnetic bearing (MB) windings from three to five levels, thereby enhancing the system's voltage capacity and facilitating swifter current response times. Additionally, at the same voltage level, this approach improves the electromagnetic interference (EMI) characteristics of the AMB drive, diminishes current ripple and power loss, and improves the suspension precision of the MB. The efficacy of the proposed topology and its control methods has been rigorously validated on a MB blower experimental platform, demonstrating their practical applicability and performance benefits.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项混合NPC与飞跨电容腿的多电平变换技术虽然聚焦于主动磁悬浮轴承驱动，但其底层技术原理与我们在光伏逆变器和储能变流器领域的核心技术路线高度契合，具有重要的参考价值和潜在应用前景。
该技术的核心创新在于将传统NPC拓扑与飞跨电容结构融合，实现从三电平到五电平的升级。这与阳光电源在大功率逆变器领域推进多电平技术的战略方向完全一致。特别是在储能系统中，更高的电压等级意味着可以更高效地对接中高压电网，减少变压器环节，降低系统成本。论文验证的更快电流响应特性对于我们的储能PCS产品尤为关键，这直接关系到电网调频等高动态应用场景的性能表现。
从EMI特性改善和功率损耗降低角度看，这项技术可为我们解决大功率逆变器面临的电磁兼容挑战提供新思路。更低的电流纹波不仅能提升系统效率，还能延长电感、电容等关键器件寿命，这对提高产品可靠性和降低全生命周期成本具有实际意义。
然而，需要关注的是，飞跨电容的电压平衡控制增加了控制算法复杂度，这在工业化应用中需要成熟的数字控制平台支撑。此外，额外的电容器件会增加系统体积和成本，需要在性能提升与经济性之间寻找平衡点。建议我们的研发团队深入评估该拓扑在1500V光伏系统和大容量储能变流器中的适配性，特别是在高海拔、高温等极端工况下的表现，探索将其与我们现有的SiC功率器件平台结合的可能性。