研究背景
中压电机广泛应用于工业、冶金、市政、交通运输等领域，但传统多电平驱动方案存在体积庞大、能量回馈困难等问题。级联多电平驱动方案（移相变压器+整流+CHB）虽然功率大、承受冲击能力强，但存在笨重、能量回馈困难的挑战。双母线供电多电平驱动技术分为公共母线型和子模块母线型，前者桥臂电流直流偏置高，后者桥臂电流直流偏置低，且前者采用双重均压控制，后者采用单重均压控制。
关键问题
模块化多电平电机驱动系统面临轻量化设计和共模电压抑制两大关键问题。轻量化设计需要集成设计、组件优化、先进材料、线缆/模块结构优化等手段。共模电压抑制分为内部（桥臂）和外部（驱动）两类，内部共模电压会导致桥臂环流，增加开关电流应力和功率损耗；外部共模电压则危害绕组绝缘和轴承寿命。
级联模块化多电平驱动轻量化方案
子模块波动功率机理
子模块电容用于吸收波动功率、稳定母线电压，但其重量和体积占比过高（>70%和>50%）。通过分析子模块波动功率机理，发现绝大部分波动电流流入电容形成电压波动。优化阻抗关系，可以使波动电流主要流入电容，从而实现波动功率解耦。
子模块电容新约束
波动功率解耦后，子模块电容只需处理高频开关谐波，因此可以采用更小容值的电容，从而实现轻量化设计。
高频链互联MMC驱动方案
提出基于四端口双有源桥（FDAB）和单边同步双边移相调制的MMC驱动方案，实现波动功率解耦和功率传递。通过分析等效并联阻抗模型和动态解耦问题，验证了方案的可行性。实验结果表明，该方案可以有效抑制桥臂环流和驱动共模电压，并降低子模块电容约束。
大功率模块设计与测试
设计和测试了800V/300A、240kW的大功率模块，验证了所提方案的功率传递特性、损耗和热表现。实验结果表明，该方案可以有效实现波动功率解耦，并降低系统体积和成本。
内/外部两类共模电压抑制方案
两类共模电压定义
外部共模电压由上、下桥臂电压数学模型决定，内部共模电压由桥臂电压决定。
两类共模电压机理
桥臂电压受开关函数和电容电压影响，外部共模电压主要由三倍频分量决定，内部共模电压主要由二、四倍频分量决定。
子模块波动功率解耦影响
波动功率解耦方案可以完全消除桥臂共模电压，并降低驱动共模电压。
外部驱动共模电压完全抑制方案
提出基于CPS-NTM调制的方案，可以完全抑制外部驱动共模电压。实验结果表明，该方案可以有效降低外部共模电压。
小结
研究中从级联型模块化多电平变流器波动功率的机理出发，探讨了基于子模块波动功率解耦实现变流器轻量化新思路。针对电机驱动系统，提出基于DC/DC级调制优化结合硬件电路设计实现波动功率自然解耦的驱动变流器方案，实现驱动系统轻量化。基于波动功率解耦方案，结合MMC级调制优化方案，实现驱动系统内/外部两类共模电压抑制，进一步实现驱动变流器性能优化。
