实时寿命估计与三相四电平三电容器变换器中飞电电容的受控电压调节

《IEEE Transactions on Power Electronics》：Real-Time Lifetime Estimation and Supervised Voltage Regulation of Flying Capacitors in a Three-Phase Four-Level Three-Capacitor Converter

本文提出一种针对3P4L3C多电平拓扑的监督电压调节方法，通过动态调整占空比实现电容电压均衡，并构建了集成ESR损失计算、温度估算、非线性损伤累积和蒙特卡洛仿真的电热寿命评估框架。实验表明该方法使电容寿命延长约20%，同时降低纹流和热应力。

　　

摘要：

三相四电平三电容器变换器（3P4L3C）每个相位仅使用一个飞电容，从而消除了多余的开关状态。然而，这种拓扑结构在电容器电压调节方面存在显著挑战，因为传统的调制技术（包括基于载波的SPWM和SVM）无法维持电压平衡。本文提出了一种基于监督的电压调节方法，该方法动态调整占空比以补偿电容器电压偏差，确保稳定运行。除了调节功能外，还引入了一个统一的电热寿命评估框架，用于量化改进的调节方式对电容器可靠性的影响。该框架结合了基于纹波谱的ESR损耗计算、热点温度估计、非线性损伤累积以及在实际工作条件下的蒙特卡洛仿真。仿真和实验结果证实，所提出的基于监督的电压调节方法能够实现稳定的电容器电压调节，同时降低纹波电流和热应力。因此，与传统的3P4L6C拓扑结构相比，3P4L3C变换器的电容器寿命延长了约20%，这凸显了将控制和可靠性评估集成到同一设计框架中的优势。

引言

电力电子研究领域致力于开发适用于高功率应用的成本效益高且效率高的解决方案，这推动了由中压和大电流半导体器件实现的多电平变换器的发展。这些变换器具有诸多优势，包括更高的直流链路电压、开关器件间的电压应力平衡、更低的谐波失真以及更低的开关频率[1]、[2]、[3]。多电平变换器有多种不同的拓扑结构，包括模块化多电平变换器、级联H桥变换器、二极管箝位变换器（DCC）和飞电容变换器（FCC）[4]、[5]、[6]、[7]。对于高密度中压应用，DCC和FCC拓扑结构尤其受到青睐，因为它们具有更高的功率密度、更高的效率以及更少的开关器件[8]、[9]。然而，FCC拓扑结构也存在一些挑战，尤其是飞电容数量较多，这会对成本和可靠性产生负面影响[10]。因此，减少电容器数量是有利的，因为它可以降低成本、缩小变换器的体积、提高系统的可靠性和寿命，但同时也会消除多余的开关状态，使得电容器电压调节变得更加困难[11]。