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全球科研项目数据库2026版

异质功率器件组合型多电平电路的拓扑演化方法与混频调制技术研究

项目来源

国家自然科学基金(NSFC)

项目主持人

李楚杉

项目受资助机构

浙江大学

立项年度

2018

立项时间

未公开

项目编号

51807176

项目级别

国家级

研究期限

未知 / 未知

受资助金额

25.00万元

学科

工程与材料科学-电气科学与工程-电力电子学

学科代码

E-E07-E0706

基金类别

青年科学基金项目

关键词

异质功率器件组合 ; 混频调制 ; 宽禁带器件 ; 多电飞机 ; 多电平变流器 ; 异质功率器件组合 ; 混频调制 ; 宽禁带器件 ; 多电飞机 ; 多电平变流器

参与者

雷锦涛；卢睿；董玉斐；王宇翔；李成敏

参与机构

浙江大学

项目标书摘要：宽禁带器件的使用可大幅提高变流器功率密度，然而全宽禁带器件变流器的成本问题严重制约其产业化推广。现有硅基器件—宽禁带器件(异质器件)组合方法虽降低了变流器成本，但控制自由度不足、硅基器件开关损耗大、异质器件间温升不均，严重影响了系统性能。本项目以异质功率器件组合型多电平拓扑为载体，重点研究以下内容:(1)研究硅基器件低频动作、宽禁带器件高频运行的组合型多电平变换器结构及其拓扑演化方法，为大功率高密度变流器提供新方案;(2)提出异质器件开关频率比的概念，以此为新控制自由度，研究组合型多电平电路的混频调制技术，实现异质器件的热应力均衡，探索基于异质器件组合的多电平变流器功率容量与密度极限，为大功率高密度变流器调制提供科学依据。本项目力图设计新颖大功率高功率密度变流器拓扑与调制方案，突破现有设计在成本与功率密度上的局限，为高功率密度变流器研究提供新思路，促进我国绿色能源产业中变流器技术的发展。

Application Abstract: The implementation of Wide-Bandgap(WBG)power devices can significantly improve the power density of the power electronic converter.However,the cost issue has slowed down the pace of WBG power devices entering the market.Nowadays,the applying of Multi-Material-Devices(MMD)based converter topologies can partially lower the cost.However,they still face several problems such as lacking the degree of freedom,high switching losses on their Si device part and unbalanced thermal stress.Therefore the power density is limited.In this application,researches will aim to develop MMD based multilevel converter topologies.Two main topics are covered.(1)Firstly,a series of MMD based multilevel converter topologies are proposed which enables low frequency switching on Si devices and high frequency switching on WBG devices.The basic structures of the topologies are derived.The derivation method for new topologies is investigated.It provides new converter solutions to realize high power density in the high power area.(2)Secondly,a new degree of freedom-Switching Frequency Ratio(SFR)is proposed.A Composited Frequency Modulation(CFM)technology is investigated with the utilization of SFR.It enables the balancing of thermal stress on each device for the MMD based multilevel converter system.The upper boundary of the power rating and the maximum power density can be derived by using the proposed CFM technology.It provides powerful tools for the modulation scheme design of high power converters.This project dedicates to delivery the next-generation topology and modulation method solution for the high power density high power converter,which will break through the limitation on both the cost and the power density of nowadays converter design.It provides a new research direction in the area of high power density power electronic converters,which will accelerate the development of converter technology for the green energy industry in China.

项目受资助省

浙江省

项目结题报告(全文)

在光伏发电、电动汽车、多电及全电飞机、高速中压电气传动等大功率高密度变流器应用场景中，宽禁带功率器件的使用可大幅提高变流器的变换效率与功率密度。然而全宽禁带器件的成本问题严重制约了其产业化推广。现有硅基器件—宽禁带器件(异质器件)组合应用方法虽降低了变流器成本，但控制自由度不足、硅基器件的开关损耗大、异质器件间的温升不均，严重影响了系统性能。针对上述问题，本项目以异质功率器件组合型多电平拓扑为载体，重点针对异质功率器件组合型多电平电路的拓扑演化方法以及异质功率器件组合型多电平电路的混频调制技术两个关键科学问题开展研究工作。本项目研究揭示了异质功率器件组合型多电平拓扑衍生规律，提出一系列高效率低成本组合型器件多电平拓扑，包括异质功率器件组合型三电平整流器拓扑，五电平整流器拓扑，以及具有电容均衡控制能力的四电平拓扑等。另一方面，项目通过挖掘异质功率器件组合型多电平拓扑的调制自由度，提出了适用于组合型拓扑的空间矢量调制策略以及通用多步软开关调制方案。项目设计了9.5kW/L,100kW的异质功率器件组合型三电平样机并进行了全面测试，实现了最高效率约为99.11%,满载效率为98.71%。本项目研究全面完成项目的既定研究目标，研究成果丰硕。该项目已资助发表(含录用)SCI检索期刊论文7篇,EI检索国内期刊/国际会议论文7篇，其中电力电子学科国际权威期刊(IEEE Trans.Power Electron.)SCI 论文5篇，授权发明专利3件，取得了良好的学术成果。经此项目培养，申请人入选浙江省“万人计划”青年拔尖人才项目，获中国机械工业联合会科技进步一等奖，中国电源协会科技进步特等奖，并获得浙江省自然科学基金重点基金项目资助。本项目研究突破现有设计在成本与功率密度上的局限，为高功率密度变流器的研究提供新的思路。促进我国绿色能源产业中变流器技术的革新。同时，相关研究成果将形成具有自主知识产权的发明专利，提升国家在该领域的国际竞争力。

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  • 1.异质功率器件混合型多电平变换器拓扑衍生与调制优化

    • 关键词：
    • 异质功率器件混合型变换器;多电平变换器;碳化硅MOSFET;拓扑衍生;调制;软开关;中压系统
    • 张一凡
    • 指导老师：浙江大学 何湘宁
    • 学位论文

    大容量电力电子变换器是电气化交通、交直流输配电、大型数据中心和国防军事装备等国家重点发展领域中的电能转换与高效利用的基础与核心。多电平变换器具有功率器件电压应力小、波形质量好、功率密度高等优点,是实现中压大容量交流-直流电能变换的优选解决方案,在工业界得到广泛应用。然而,随着常用的硅基功率器件逐渐逼近其理论极限,基于硅基器件的多电平变换器性能已很难进一步提升。以碳化硅MOSFET为代表的高性能宽禁带器件受高价格制约,仍未实现大规模商业化应用。针对以上问题,本文基于碳化硅和硅器件混合应用的异质功率器件混合型多电平变换器方案,深入研究其拓扑构造衍生方法与调制策略,提出一系列异质器件混合型多电平变换拓扑及其优化调制方法,为大容量高性能电力变换场合提供高性能低成本解决方案。首先,提出了异质功率器件混合型多电平变换器拓扑构造方法与通用调制策略。所提出的拓扑构造方法包含了基本单元的定义,保证混合型拓扑结构的基本准则,以及衍生混合型拓扑的特定步骤。基于此,提出了一系列异质功率器件混合型拓扑。通过选择这些混合型拓扑的冗余开关状态,提出了一种异质功率器件混合型拓扑的通用调制策略,可将高频的开关切换都集中于碳化硅器件上。仿真和实验验证了所提出拓扑衍生方法和通用调制策略的有效性,从而为新拓扑的提出提供指导。其次,提出了硅二极管-碳化硅MOSFET异质功率器件混合型整流器。所提出的整流器每相电路仅需要四个具有较低阻断电压的碳化硅MOSFET。同时由于缓冲电容的存在,所有的硅二极管均等效工频动作,并且碳化硅MOSFET能够被有效箝位。本文详细分析了该异质功率器件混合型整流器的工作原理,进一步提出了其调制和控制策略,保证了整流器电容电压平衡以及单位功率因数输出。仿真和实验验证了所提出混合型整流器的有效性。所提出的整流器在效率和成本方面的优势被评估和证明。最后,提出了基于异质功率器件混合型四电平变换器的多步软开关调制策略。本文根据所提出的异质功率器件混合型变换器拓扑构造方法衍生得到了异质功率器件混合型四电平逆变器和整流器,其每相电路仅需要两个碳化硅MOSFET。分别针对这两种混合型拓扑,详细分析了其在多步软开关调制策略下的换流过程。所提出的调制策略,同时实现了混合型四电平变换器中所有硅器件的软开关和直流母线中点电压的平衡。仿真验证了本文所提出的调制策略的可行性和有效性。

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