模块化通用电力电子变换器设计开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究背景

电力电子技术发展至今，模块化电力电子装置在许多领域都有着非常广泛的应用，持别是在电力系统中更是无处不在。在介绍＂模块化＂之前，先来简单介绍一下＂功率单元模块＂，也就是＂子模块＂的概念。所谓＂功率单元模块＂，就是将多个电力电子器件（抵ＢＴ、二极管等）按照一定的拓扑结构封装到一个集成模块之中，此模块的独立运斤可Ｗ实现最基本的电能转换。这样做的主要目的是为了降低制造成本，缩小整体的体积，提窩运行可靠性，方便开发设计，缩短研发周期等Ｗ。模块化电为电子装置，就是将多个子模块通过串联或并联的方式级联运行。

目前，将功率单元模块串联起来运行的方式在电力电子研巧领域比较流行。级联Ｈ桥模块化多电平变流器等都是采用了这样的设计方法。这种设计方法的基本思想是将多个相同功率单元模块的输出端首尾相连，串联而成的主电路的输出电压是各个子模块的输出电压之和。

与串联的概念相同，模块化并联拓扑就是将各子模块并联起来运行。多级并联三相逆变器、并联型APF就是采用这样的拓扑结构。模块化并联拓化就是将子模块的直流输入端并联在直流母线上，输出端通过输出接触器接在交流侧的交流母线上，同时各单元同相的输出接在同一根对应的母线上。

就目前的发展现状而言，电力电子技术模块化将会继续向着更高集成、更髙功率的方向发展；

第一，串并联子模块的数量会进一步増加。随着电力电子器件集成化程度的不断提高，以及数字控制技术的不断发展，可Ｗ打破串并联模块现有的数量局限，甚至可以在现有的串并联拓扑的基础之上找到新的模块化拓扑结构，以适应电力电子技术更高的要求。

第二，工艺技术不断发展。新型电子元器件的出现会给模块化的电力电子装置带来高频化、微型化、薄型化、低功耗、响应速率快、高分辨率、高精度、多功能、复合化和智能化等的发展恣势。同时，向着安全性和绿色化发展也是电力电子研究领域的热门话题。

第三，控制技术的数字化。日益复杂的电力电子模块化拓扑结构也对控制技术的实时性提出了更高的要求，送就需要控制器不断提高自身的处理效率。与传统的模拟控制技术相比，数字化控制可以很好的避免由于温漂而带来的控制参数选取不精确的问题，还可以通过上位机的监技及时发现并处理系统运行时的问题，以免造成更大的损失。另外，控制芯片高集成的特点也能使整个系统在重量和体积上进一步减小。

第四，容量与功率持续増大。随着国家能源战略的调整，为满足大规模、远距离、髙效率电力输送的要求，电网系统提出＂一特四大＂的发展思路，就是通过建设特高压电网为骨干网架的坚强智能电网，促进大煤电、大水电、大核电、大型可再生能源发电基地的集约化发展，这也就促使电网中的电力电子系统需要不断提高自身的容量和运行功率以适应电网的发展要求。

1.2研究目的

PEBB技术是电力电子系统集成中一个非常重要的技术手段和发展方向。它采用标准化、模块化、智能化的变换器单元，灵活组成各种不同功能的电力电子设备，将大规模生产电力电子设备的生产效率成倍的提高，而生产成本则大幅下降。

电力电子积木PEBB采用先进的表面贴装技术将触发器、有源器件、主电源板集成在一起，具有低感模块和多重功能，大大缩小电力电子装置的体积和重量，降低装置的损耗和成本，提高高频工作效率。

同时，利用PEBB来制造功率变换器，可以极大的简化设计过程、缩短设计周期，同时由于组建方法的灵活性，可以降低制造复杂结构和功能的电力电子设备的难度，因而可以制造出更大规模、更大容量的电力电子系统。

1.3国内外的研究现状分析

电力电子积木的概念由美国海军研究局于上世纪90年代末提出，在学术界产生了较大的影响，指明了电力电子集成化这一领域未来的发展方向，并将对其的研究推向高潮。所谓PEBB，就是将电力电子器件按照一定拓扑结构进行的高度集成。对于一个PEBB来说，功率器件单元、传感器单元、接曰信号电路等模块都封装在内部，只保留必要的功率传输接口和数字通信接口与外界进行通讯，通过数字化控制平台完成整个系统的控制。采用PEBB技术后，模块化电为电子装置的功率单元将逐渐封装为标准的PEBB。通过PEBB的思想来构造功率单元，能够简化设计过程、减少开发周期，同时也实现了模块化和标准化，从而能够降低制造成本和维护成本。由标准的模块单元集成为子系统，再将多个子系统拓展成为更大规模、更大容量的复杂系统，这种灵活的构建方法使得PEBB技术成为电力电子未来的发展方向。不同的功率单元，不同的拓扑方式，也使得电力电子装置变得更加多样性。国际上研究比较多的包括美国海军研究院的Ericsen，T和Tucker，A、弗吉尼亚大学电子工程系的LEE，FC,DengminPeng等人。

电力电子积木产品近些年菜逐渐进入产业化。目前国际上量产销售电力电子积木的公司主要是德国的英飞凌和赛米控两家，市场主要针对欧美国家。其中英飞凌的主要产品系列为“PrimeStack”，赛米控的主要产品系列为“SEMiXBOX”和“SEMISTACK”。根据赛米控的资料显示，目前欧洲超过50%的风电换流器产品都采用了赛米控的电力电子积木/智能功率模块，由于价格高昂、供货周期长等因素，国际产品在中国的应用范围不是十分广泛，目前有一些风电换流器和光伏逆变器采用赛米控公司的产品，但是由于成本压力，都有自己做功率单元的降成本计划。如果有合适的本土企业可以提供性价比高且性能可靠的电力电子积木产品，相信会有相当数量的国内企业愿意使用。

在国内，电力电子积木的研究仍是一个比较新颖的概念，只有极少数高校和研究机构进行过相关的研究及论文发表，比如中科院电工所的温旭辉、乔尔敏、徐海平等。

目前PEBB系统在市场上已经得到了很多应用，也有一些公司在开发新一代的PEBB，新一代的PEBB应该具有以下的功能：可重复利用可以重新配置模块功能、具有标准化电力电子系统的硬件结构、具有适合于不同应用的通用控制系统，其中最重要的一点是同时将控制和通信系统标准化，这样才可以实现PEBB的“即插即用”功能，可以提高设备的功率密度和可靠性，降低生产成本。

专注于生产电力电子积木的厂家更是不多。但是随着电力电子积木在飞速发展的智能电网、新能源、轨道交通、工业节能、军事工业等领域得到的应用越来越多，已经有一些厂家开始介入电力电子积木的研发和生产当中来，其生产模式是采购元器件然后组件调试，并直接销售给终端用户或代理分销商，并没有销售通用型的电力电子积木。同时国内近几年也出现了如江苏宏辉，嘉兴斯达，南京银茂辉等IGBT模块厂家，但是他们专注于IGBT等元器件的生产，并不过多涉及电力电子应用领域的生产和开发，但是对于电力电子积木的产业化打下了坚实的基础。

2、研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1研究目标:

设计一个模块化通用电力电子变换器，该变换器由以下三个部分组成：

（1）主电路部分，主电路采用三相全桥拓扑结构，实现DC/AC,AC/DC以及DC/DC功能

（2）控制电路由A/D采样控制模块、数字PID模块、数字PWM控制模块组成

（3）其他辅助电路包括电压、电流取样电路、保护电路、A/D转换电路、驱动电路、辅助电源电路等。

拟采用的技术方案及措施:

电力电子积木是基于大功率IGBT器件的定制型电力电子设备核心部件。PEBB将不同类型的电力电子设备中的核心模组抽取出来并集成为模块化的产品，其中包括全桥电路、门极驱动电路、直流支撑电路、信号检测及转换、全数字控制器，并在此基础上加入控制软件。

4、参考文献

[1]张勤进,刘彦呈,牛京威,庄绪洲,刘凤春,李霄燕. 模块化双向直流变换器实验平台探索与实践[J]. 实验技术与管理,2019,36(09):87-91.

[2]张帅. 模块化电力电子变压器效率优化控制研究[D].华北电力大学,2019.

[3]宋冬冬,张丽红,崔丽娜,程辉. 模块化软、硬件集成电力电子实验平台研究[J]. 中国科技信息,2018,(21):69-72.

[4]乐越. 模块化多电平电力电子变压器的优化控制策略研究[D].东南大学,2018.

[5]欧阳少迪,刘进军. 几种模块化多输出电力电子变压器拓扑的不平衡负载补偿能力比较[J]. 电工电能新技术,2017,36(05):11-20.

[6]高范强,李子欣,徐飞,王哲,赵聪,王平,李耀华. 一种高频链模块化电力电子变压器[J]. 电工电能新技术,2017,36(05):51-58.

[7]王轩,付永生,晋湾湾,王蓓蓓,燕翚. 一种新型结构的电力电子变压器[J]. 电工电能新技术,2017,36(05):67-74.

[8]涂春鸣,兰征,肖凡,葛俊,孟阳,杨义. 模块化电力电子变压器的设计与实现[J]. 电工电能新技术,2017,36(05):42-50.

[9]袁威,郝正航,张宏俊. 带光储系统的模块化电力电子变压器在配电网中的仿真研究[J]. 电测与仪表,2016,53(17):85-91.

[10]牟昱东,张建文,朱淼,蔡旭. 基于FPGA的模块化通用型电力电子控制平台[J]. 电力电子技术,2016,50(08):106-108.

[11]徐李荔. 基于DSP及FPGA的模块化大功率电力电子装置数控平台研究[D].东南大学,2016.

[12]和巍巍,汪之涵,傅俊寅. 电力电子积木(PEBB)技术的发展与展望[J]. 变频器世界,2014,(01):53-56.

[13]罗飞路,曹雄恒 ,陈江龙. 电力电子技术现状和未来[J]. 大众用电,2002,(04):16-18.

[14]Ericsen T, Khersonsky Y, Schugart P, etal. PEBB-power electronics building blocks, from concept to reality[J]. 2006.

[15]Wang J, Shen Z, Cvetkovic I, et al. Powerelectronics building block (PEBB) design based on 1.7 kv sic mosfetmodules[C]//2017 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS). IEEE,2017: 612-619.

[16]Mayor A, Rizo M, Monter A R, et al.Commutation Behavior Analysis of a Dual 3L-ANPC-VSC Phase-Leg PEBB Using4.5-kV and 1.5-kA HV-IGBT Modules[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2018, 34(2): 1125-1141.