基于中频变压器的新型四象限多电平变流器设计与应用

本文主要探讨了一种新型四象限多电平变流器的设计与实现。这种变流器的核心组成部分包括级联的H桥型整流器、中频变压器以及级联的H桥型逆变器，它们共同构建了一个高效能的电力转换系统。该设计的一大创新在于摒弃了传统的工频变压器，转而采用中频（5kHz）变压器，这显著地降低了系统的体积和重量，提高了变流器的功率密度，从而满足了高压大容量场合对于紧凑性和轻量化的需求。 作者首先详细分析了变流器的能量传输模型，提出了相应的控制方法和调制策略，确保了变流器能够在四象限内运行，即不仅支持正向能量传输，也能够实现反向能量回收，这对于机车制动能量回收等应用尤为重要。输入侧的H桥型整流器的工作相位被精心设计，以维持各电容电压的平衡，这是实现四象限运行的关键。 论文接着介绍了调制算法流程，其目的是优化输出电压控制，使得变流器能够有效地与高压电网接口，并保持高的功率因数。在中频H桥的工作相位设计上，作者强调了相位选择对于电容电压管理的重要性，这有助于保证电路的稳定性。 尽管二极管箝位型多电平变流器是常见的四象限结构，但它们存在电容电压均衡问题，限制了其在高电压场合的应用。相比之下，级联H桥型变流器通过模块化设计和增加级联数量，解决了这个问题，且能有效扩展到6kV以上的电压等级。 文中提到的几种变流器结构如文献中所示，虽然能实现四象限运行，但通常伴随着工频变压器的使用，这增加了成本和体积负担。而本文的创新之处在于，通过中频变压器的采用，成功地克服了这些局限性，提升了整体系统的性能和经济性。 本文提出的新颖四象限多电平变流器拓扑结构不仅具有良好的性能，而且在实际应用中展现出更高的效率和优势，特别是在需要高功率密度和紧凑布局的场景下，如机车牵引、船舶推进等。通过中频变压器的运用，这种变流器在降低系统复杂性和成本的同时，保证了电力转换的灵活性和可靠性。