[發明專利]一種基于碳化硅的ANPC三電平拓撲低損耗切換方法

在審

• 申請號: 202210018979.X
• 申請日: 2022-01-11
• 公開（公告）號: CN115694229A
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 魯思兆;黃潔;李思奇
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M1/088
• 代理公司: 北京市盈科律師事務所 11344
• 代理人: 荔恒輝

本發明公開了一種基于碳化硅的ANPC三電平拓撲低損耗切換方法，基于碳化硅的ANPC三電平拓撲低損耗切換方法，其特征在于，ANPC三電平拓撲結構的正極和負極分別設為P點和N點，P點和N點的中點為O點，P點和O點之間設有電容C₁，N點和O點之間設有電容C₂，ANPC三電平拓撲結構包括六個開關單元，分別為K₁、K₂、K₃、K₄、K_p和K_n，其中開關單元K₁、K₂、K₃、K₄依次串聯在P點和N點之間，開關單元K_p、K_n串聯后和串聯后的開關單元K₂、K₃并聯，開關單元K_p、K_n連接的中點設為O₁點，O₁點和O點連接。基于碳化硅的ANPC三電平拓撲運用了一種新的電平切換方法在步驟(2)中和步驟(4)中能進一步減小整個拓撲的開通損耗與關斷損耗，提高拓撲的效率。

技術領域

本發明屬于電力電子領域，特別是一種基于碳化硅的ANPC三電平拓撲低損耗切換方法。

背景技術

由于越來越嚴重的環境問題和能源危機，引起了世界各國的廣泛關注，為了減小能源的消耗，提高功率變換器的效率就成了重要的一個環節，隨著社會的發展，電壓等級越來越高，傳輸的功率越來越大，兩電平變換器已經不能滿足傳輸大功率的需求，因此在該背景下多電平變換器得到了快速發展，然而隨著電平數的增加，功率開關管的數量將會增加，拓撲結構、控制方式也會變得更加復雜，因此在傳輸大功率的場所選擇最多的仍然為三電平拓撲結構。

在20世紀80年代初期，由NabeaA、Akagi等學者首次提出了二極管中點鉗位型(DNPC)三電平這種拓撲結構，這種拓撲結構的提出，至今仍被廣泛的應用于中高壓大功率的場所。但是該拓撲結構沒有多余的開關狀態，所以內管(S₂、S₃)與外管(S₁、S₄)損耗分布不均勻，最終導致整個系統的穩定性下降，對器件的散熱也提出了嚴峻的挑戰，最終影響著傳輸功率的大小。為了提高系統的可靠性，就需要各個開關管的損耗分布更加均勻，就提出了有源中點鉗位型(ANPC)三電平的拓撲，在該拓撲結構中，將原有的DNPC三電平拓撲中的二極管替換為全控型開關器件，通過這一改動，合理的讓開關器件動作，就提供了更多的零電平開關狀態，為平衡各個開關器件的損耗提供了可能。

ANPC三電平拓撲在進行電能傳輸的過程中，可以選擇性的對開關器件進行動作，就可以實現正電平、零電平、負電平三電平的輸出。但是ANPC三電平拓撲的輸出在進行電平切換的過程中,就會存在開關器件的開通和關斷，由于開關器件處于不同回路，所以開關損耗就會有所差異。為了使得各個開關器件損耗盡可能均勻的情況下，并且進一步提高系統效率，因此就需要運用兩條路徑同時為負載供電的方案，該方案等效為兩條路徑并聯，減小了導通電阻，從而減少了導通損耗，最終提高了系統效率，這一點在Jiao Y,Lee F C作者的New Modulation Scheme for Three-Level Active Neutral-Point-Clamped ConverterWith Loss and Stress Reduction[J].IEEE Transactions on IndustrialElectronics,2015,62(9):1-1.論文中進行了分析與測量。

在上述論文中，作者對此結構進行損耗分析與測量，但是他們提出的電平切換方案，在整個系統中造成的損耗還能進一步降低，而且他們提出的電平切換方案需要兩個功率開關管同時動作，但是碳化硅這種功率開關管開關速度非常快，所以該方案實施起來較為困難，所以進一步探尋新的電平切換方案就變得十分有意義。

發明內容