← 返回
切换中点升压逆变器
Switched-Midpoint Boost Inverter (SMBI)
| 作者 | Sze Sing Lee |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年10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 | 单级三相升压逆变器 直流母线电容 电压增益 电压电流应力 共模电压 |
语言:
中文摘要
摘要:传统的三电平逆变器,如 T 型拓扑结构,使用两个串联的直流母线电容来产生三个对称的电压电平。由于其最大电压电平仅限制在直流母线电压的一半,因此需要一个前端升压转换器来扩展电压增益,从而构成两级拓扑结构。本文介绍了一种单级三相升压逆变器,即开关中点升压逆变器(SMBI)。所提出的拓扑结构通过在直流母线电容的中点并入一个功率开关,实现了对直流母线电容的控制。通过在升压电感充电期间使直流母线电容并联,自然地保持了电压平衡,无需任何电压平衡控制器或传感器。在给定的升压电感充电占空比下,所提出的 SMBI 的直流母线电压是传统两级逆变器的两倍,从而提高了电压增益。此外,所提出的 SMBI 中实现单级电压升压的开关中点电路,与传统两级逆变器中的前端升压转换器相比,还降低了电压和电流应力。此外,所提出的逆变器通过将交流中性点直接连接到直流电源的负极建立共地结构,有效减轻了高频共模电压。本文对所提出的 SMBI 的工作原理进行了深入分析,并通过实验结果进行了验证。
English Abstract
Conventional three-level inverters such as T-type topology use two series-connected dc-link capacitors to generate three symmetric voltage levels. As their maximum voltage level is limited to only half dc-link voltage, they require a frontend boost converter to extend voltage gain that constitutes a two-stage topology. This paper introduces a single-stage three-phase boost inverter known as the Switched-Midpoint Boost Inverter (SMBI). The proposed topology facilitates control of the dc-link capacitors by incorporating a power switch at their midpoint. By enabling the parallel connection of the dc-link capacitors during charging by a boost inductor, voltage balance is naturally maintained, obviating the need for any voltage balancing controllers or sensors. For a given boost inductor charging duty-cycle, the dc-link voltage of the proposed SMBI is double compared to the conventional two-stage inverter, thus enhancing the voltage gain. In addition, the switched-midpoint circuit that enables single-stage voltage boosting in the proposed SMBI also reduces voltage and current stresses compared to the frontend boost converter in the conventional two-stage inverter. Moreover, the proposed inverter effectively mitigates high-frequency common-mode voltage by establishing a common-ground structure through the direct connection of the ac neutral to the negative terminal of the dc source. The operational principle of the proposed SMBI is thoroughly analyzed and validated through experimental results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项开关中点升压逆变器(SMBI)技术呈现出显著的应用价值,特别是在光伏逆变器和储能系统领域。
该技术的核心优势在于实现单级拓扑结构,相比传统两级方案,通过在直流母线电容中点引入功率开关,使电容在充电时并联连接,自然实现电压平衡。这一创新设计可将直流母线电压提升至传统方案的两倍,显著增强电压增益。对于阳光电源的组串式逆变器产品线,这意味着可以在更低输入电压下实现更高的输出能力,提升系统在弱光条件下的发电效率,延长日发电时间,直接增加投资回报率。
在储能应用场景中,SMBI技术的电压和电流应力降低特性尤为重要。这不仅能提高功率器件的可靠性,还可优化热管理设计,降低系统成本。无需额外的电压平衡控制器和传感器这一特点,简化了控制算法复杂度,提升了系统鲁棒性,这对于大规模储能电站的长期稳定运行至关重要。
该技术建立的共地结构通过将交流中性点直接连接至直流负极,有效抑制高频共模电压,这对解决光伏系统中的漏电流问题具有实际意义,特别适合薄膜组件等对地漏电流敏感的应用场景。
然而,技术落地仍面临挑战:中点开关的控制时序需精确协调以避免直通故障;单级拓扑的动态响应特性需深入验证;功率器件的选型需在电压应力降低与开关频率提升间权衡。建议阳光电源可将此技术优先应用于中小功率产品进行试点验证,积累工程化经验后再推广至大功率平台。