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本文针对大功率IGCT交直交变频器的器件开关特性、换流过程、电磁能量传递过程、拓扑结构衍化组合等问题进行了深入研究,研制了基于IGCT的10MVA/3.3kV NPC三电平交直交变频器和基于NPC/H桥的20MVA/6.6kV五电平变频器,完成了大功率负载实验和工程应用。论文提出了一种精确的IGCT和二极管的功能型仿真模型,研究了 IGCT器件开关过程的开通瞬态特性;研究了 RLCD、RLD+RCD、RLCD+RCD等三种不同类型缓冲电路应用时功率器件的开关瞬态特性,分析了开关瞬态过程各部件的损耗特性;提出一种新型RLCD+RCD缓冲电路的设计原则,在系统总损耗增加不多的条件下,提高变频器的最大输出容量。论文完整分析了基于IGCT的NPC三电平变频器换流过程,明确指出了变频器的换流阶段和换流路径,分析了杂散参数、二极管特性、缓冲电路、死区时间及箝位电阻等因素对换流过程的影响,推导了变频器运行过程中不同功率器件的电压、电流和损耗的分布特性。论文研究了 PWM交直交变频器的电磁能量变换传递过程,交直交变频器电磁能量变换过程依据不同的时间常数可分为电力电子器件的开关瞬态过程、交流与直流储能间的能量变换过程、交直交变频器有功能量传递过程等,提出了不同电路拓扑结构变频器中间直流储能电容的设计原则和计算公式。论文以基于IGCT器件的NPC三电平功率单元为基础,提出了多种功率单元组合衍化的变频器拓扑方案,分析了电机开绕组三电平、NPC/H桥五电平、NPC+NPC/H桥七电平等大功率变频器拓扑结构,给出了基于载波层叠的SPWM调制方式与输出谐波特性,并进一步提出了易于容量扩展、便于生产制造的超大容量交直交变频器拓扑结构衍化组合方案。基于上述研究内容,参与研制了基于IGCT的NPC三电平变频器和NPC/H桥五电平变频器,完成了器件开关瞬态测试、大功率负载测试等实验,实验结果验证了本文研究内容的正确性。