中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器脈寬調(diào)制時(shí)的損耗特性_圖文

1、 第 24 卷第 12 期 史曉鋒 等 中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器脈寬調(diào)制時(shí)的損耗特性 129 圖 3b 和圖 3d 所示，這兩種工作模式下有四個(gè)器件 發(fā)生開關(guān)動(dòng)作，相對(duì)于其他兩種模式下多了兩個(gè)開 關(guān)動(dòng)作器件，因此此時(shí)開關(guān)損耗較大。由圖 10 開關(guān) 損耗變化曲面發(fā)現(xiàn)，開關(guān)損耗不隨調(diào)制度 m 的變化 而變化，在功率因數(shù)角 為 與 時(shí)達(dá)到最大值， 為 0 時(shí)達(dá)到最小值。 線；其他調(diào)制策略均不改變器件的開關(guān)工作模式， 每個(gè)器件的開關(guān)損耗只與負(fù)載電流、功率因數(shù)角和 載波頻率有關(guān)，在這些條件不變的情況下，調(diào)制策 略的改變不會(huì)影響每個(gè)器件的開關(guān)損耗。 圖 12 SPWM 和 SVPWM 調(diào)制策略下通態(tài)損耗分布

2、曲線 Conduction distributing curve in SPWM and SVPWM modulation strategy Fig.12 圖 10 SPWM 調(diào)制時(shí)開關(guān)損耗隨調(diào)制度與功率因數(shù)角的 變化曲面 Fig.10 Switch loss surface by modulation index and power angle in SPWM modulation 7 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 對(duì)于逆變器總的損耗測量（包括開關(guān)損耗和通 圖 11 為調(diào)制度 0.95 ，功率因數(shù)角為 20°，電 流為峰值 300A 時(shí)， 載波頻率 900 3000Hz 范圍內(nèi)， 開關(guān)損耗隨載波頻率變

3、化曲線。 態(tài)損耗）還存在一定困難，從算法的分析過程可知， 算法主要誤差來源將來自器件的單周期損耗模型。 為了驗(yàn)證算法的有效性，實(shí)驗(yàn)對(duì)開關(guān)器件的單周期 開關(guān)特性進(jìn)行了測試， 獲得器件的開關(guān)過程的數(shù)據(jù)， 并與第 3 節(jié)中損耗模型進(jìn)行比較。電流、電壓通過 Tek 示波器 DPO4104 和配套的 Openchoice 軟件測 得。圖 13 為直流端電壓 600V ，電流為 20A ，開關(guān) 頻率 800Hz 條件下測得部分開關(guān)動(dòng)作點(diǎn)的電壓、電 流波形。 圖 11 Fig.11 開關(guān)損耗隨載波頻率變化曲線 Switch loss curve by carrier frequency （ a ）導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)

4、電流與電壓波形 6 其他調(diào)制策略下?lián)p耗計(jì)算 對(duì)于其他調(diào)制策略， 均可以通過對(duì) SPWM 調(diào)制 波注入三的奇倍次零序分量獲得它們的等效調(diào)制 波。 等效調(diào)制波重新分布了每個(gè)器件上的通態(tài)損耗， 但沒有改變通態(tài)損耗的總量，附錄 2 證明了調(diào)制策 略的改變不會(huì)改變逆變器的通態(tài)損耗。通過研究 SPWM 和 SVPWM 調(diào)制波的本質(zhì)聯(lián)系，計(jì)算獲得 SVPWM 等 效 調(diào) 制 波 即 CSVPWM 9-10 （ b ）關(guān)斷狀態(tài)時(shí)電流與電壓波形 ， 圖 12 為 Fig.13 圖 13 IGBT 開關(guān)過程實(shí)驗(yàn)波形 SPWM 和 SVPWM 調(diào)制策略下各器件通態(tài)損耗曲 Experiment waveforms o

5、f IGBT switch process 130 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) 2009 年 12 月 由 Tek 示波器測得開關(guān)器件在一個(gè)輸出波形周 期內(nèi)的電壓和電流波形，兩者乘積可得損耗功率關(guān) 于時(shí)間的波形，取點(diǎn)擬合得損耗關(guān)于時(shí)間的函數(shù)， 在開關(guān)過程時(shí)間內(nèi)對(duì)函數(shù)積分即可求得開關(guān)損耗 量。在直流側(cè)電壓 500V 和電流幅值 25A 情況下測 量了 IGCT 、續(xù)流二極管和鉗位二極管功率損耗， 同時(shí)根據(jù)式（ 16 ）式 (19 計(jì)算了該條件下的理論 開關(guān)損耗見表 2 。 表2 Tab.2 開關(guān)損耗理論值與實(shí)際值比較 losses 功率器件 S1 S2 VD 3 、 VD 4 VD 總開關(guān)損耗 計(jì)算

6、值 /J 5.676 1.124 0.014 0.046 41.436 測量值 /J 5.30 0.91 0.03 0.10 38.22 誤差（ % ） 7.1 23.5 53.3 54 8.4 （ 3 ）在相同調(diào)制度 m、功率因數(shù)角 、電流 I 和載波頻率 fc 下，不同調(diào)制策略的通態(tài)損耗和開關(guān) 損耗基本不變。 附 器件 Econd,S1 = 錄 1中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器在 SPWM 調(diào)制下 Comparison of calculated and measured switching ron_S I 2 uon_S I + + ( cos sin (1 + 2 cos + cos 2 m

7、4 6 （ A1 ） Econd,S2 = uon_S I + ron_S I 4 2 + ( A2 uon_S I ron_S I 2 ( cos sin (cos 1 2 m 4 6 Econd,VD = uon_VD I + ron_VD I 2 4 + S 1 和 S 2 的開關(guān)次數(shù)多，所以損耗較大；二極管 的開關(guān)損耗本身較小，受外界環(huán)境影響，測量值與 理論值的誤差范圍較大，總開關(guān)損耗受 S 1 和 S2 影 響遠(yuǎn)大于二極管，因此總開關(guān)損耗誤差小于 10%， 損耗算法符合誤差要求。 算法誤差來源說明：同一廠家所提供的器件 參數(shù)存在一定的分布性，并不總是與器件說明書一 致。算法中假定在一

8、個(gè)載波周期內(nèi)電流不變，這 樣會(huì)帶來一些誤差。文中假定電流波形為規(guī)則的 正弦波， 實(shí)際上電流波形中含有一定量的諧波分量， 這也會(huì)帶來誤差。開關(guān)損耗的計(jì)算中，將損耗均 勻分配在一個(gè)載波周期中， 這也會(huì)帶來一定的誤差。 ron_VD I 2 uon_VD I m (2 cos 2sin (cos 2 + 1 4 3 （ A3 ） Econd,VD3 = Pcon,VD4 uon_VD I r I2 = m ( sin cos + on_VD (1 cos 2 4 6 （ A4 ） 2 三的奇倍次零序分量注入正弦調(diào)制波后，通 態(tài)損耗恒等證明 u (t = m U DC sin(t + 2 iT (t

9、= I sin(t 8 結(jié)論 本文主要分析了中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器各種 （ A5 ） （ A6 ） k = 1, 2,3 工作狀態(tài)，對(duì)通態(tài)損耗和開關(guān)損耗計(jì)算原理作了簡 單分析。 重點(diǎn)研究了 SPWM 調(diào)制策略下通態(tài)損耗和 開關(guān)損耗的計(jì)算方法，得到了損耗計(jì)算表達(dá)式以及 一些損耗分布曲面和曲線。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)其 他調(diào)制策略下的損耗作了計(jì)算證明。研究得到的結(jié) 論主要有以下三點(diǎn)： （ 1 ）在調(diào)制度 m 、電流 I 和功率因數(shù)角 相互 獨(dú)立前提下，通態(tài)損耗與調(diào)制度 m 呈線性關(guān)系，與 功率因數(shù)角 呈余弦關(guān)系，與負(fù)載電流呈二次函數(shù) 關(guān)系。 （ 2 ）在調(diào)制度 m 、電流 I 和功率因數(shù)角 相互 獨(dú)立

10、前提下，開關(guān)損耗與調(diào)制度 m 無關(guān)，與載波頻 率 fc 呈線性正比關(guān)系。 ucom (t = U com sin 3(2k 1(t + （ A7 ） 則注入零序分量后調(diào)制波電壓為 u (t = m U DC sin(t + + U com sin 3(2k 1(t + 2 （ A8 ） 對(duì)應(yīng)于表 1 中四種情況下的占空比分別為 (t = 1 (t + (t 1 (t = 2 (t (t 2 (t = 3 (t + (t 3 (t = 4 (t (t 4 2U COM sin 3(2k 1(t + U DC （ A9 ） （ A10 ） （ A-11 ） （ A12 ） 其中 (t = 第 24

11、 卷第 12 期 史曉鋒 等 中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器脈寬調(diào)制時(shí)的損耗特性 5 131 Econd,S = Econd,S1 + 1 0 (t uIGCT (t iT (t d (t （ A13 ） Blaabjerg F, Jaeger U, Munk-Nielsen S. Power losses in PWM-VSI inverter using NPT or PT IGBT devicesJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 1995, 10(3: 358-367. Econd,S = Econd,S2 + 2 0 (t uIGCT (t

12、iT (t d (t （ A14 ） 6 王群京，陳權(quán)，姜衛(wèi)東 , 等 . 中點(diǎn)鉗位型三電平逆變 器 通 態(tài) 損 耗 分 析 J. 電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào) , 2007, 22(3: 66-71. Wang Qunjing, Chen Quan, Jiang Weidong, et al. Analysis of conduction losses in neutralpoint-clamped three-level inverterJ. Transactions of China Electrotechnical Society, 2007, 22(3: 66-71. Econd,VD =

13、 Econd,VD (t uIGCT (t iT (t d (t + （ A15 ） 7 (t uIGCT (t iT (t d (t Econd,VD = Econd,VD = Econd,VD4 ( Econd,VD3 3 4 陳權(quán)，王群京，姜衛(wèi)東，等 . 二極管鉗位型三電平 變換器開關(guān)損耗分析 J. 電工技術(shù)學(xué)報(bào) , 2008, 23(2: 68-75. Chen Quan, Wang Qunjing, Jiang Weidong, et al. Analysis of switch losses in point-clamped three-level converterJ. Tran

14、sactions of China Electrotechnical Society, 2008, 23(2: 68-75. (t uIGCT (t iT (t d (t Econd,S + Econd,S + Econd,VD + 2 Econd,VD 1 2 4 （ A16 ） = Econd,S1 + Econd,S2 + Econd,VD + 2 Econd,VD4 （ A17 ） 8 Morris G K, Galie J A. Design of a robust cold plate for high-power gradient drivers in magnetic reso

15、nance imaging systemsC. on The and Tenth Intersociety Conference Thermal Thermomechanical 參考文獻(xiàn) 1 Xu Dewei, Lu Haiwei, Huang Lipei, et al. Power loss and junction temperature devicesJ. D, Gole analysis IEEE A M, of power on L. 9 semiconductor 2 Rajapakse A Transations Wilson P Phenomena in Electronic

16、s Systems, 2006: 8. 吳洪洋 , 何湘寧 . 多電平采樣 PWM 法與 SVPWM 法之間的本質(zhì)聯(lián)系及其應(yīng)用 J. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào) , 2002, 22(5: 10-15. Wu Hongyang, He Xiangning. Relationship between multilevel carrier-based PWM and SVPWM and its applicationsJ. Proceedings of the CSEE, 2002, 22(5:10-15. 10 McGrath B P, Holmes D G, Meynard T. Reduced PWM

17、 harmonic distortion for multilevel inverters operating over a wide modulation rangeJ. IEEE Transactions on Power Electronics, 2006, 21(4: 941-949. 作者簡介 史曉鋒 男， 1983 年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù) Industry Applications, 2002, 38(5:1426-1431. Electromagnetic transients simulation models for accurate representat

18、ion of switching losses and thermal performance in power electronic systemsJ. IEEE 3 Transations on Power Delivery, 2005, 20(1:319-327. Azuma S, Kimata M, Seto M, et al. Research on the power loss and junction temperature of power semiconductor devices for inverterC. Proceedings of the 4 IEEE International Vehicle Electronics Confer