多電平逆變器建模與性能特征分析*

劉春梅

0 引言

多電平逆變器是非常變頻領域中非常常見的器件，其具有諧波小、共模電壓和波動幅度小、抗干擾能力強、開關頻率低、綜合效率高等特點。近年來得到了廣泛的應用，針對多電平逆變器的相關研究也層出不窮，目前主要集中在對多電平逆變器的拓撲結構[1-2]和控制策略方面[3-4]的研究。

在對多電平逆變器的拓撲研究時，又重點是對其功率損耗進行研究，比如對三階和四階二極管鉗位多電平逆變器功率損耗分析，二極管鉗位多電平逆變器、飛跨電容和串聯多電平逆變器的功率損耗分析等[5-6]。但總體而言，目前對的研究大多沒有對多電平逆變器的功率損耗和散熱量進行綜合分析[7]。文中將在相同輸出電壓條件下，對最常用的3種逆變器，即對稱串聯多電平逆變器、混合非對稱串聯多電平逆變器和中點鉗位逆變器進行分析[8-9]，重點研究其功率損耗和散熱量。

1 多電平逆變器的工作原理

多電平逆變器主要用于驅動感應電動機，包括中點鉗位（NPC）逆變器、多級逆變對稱逆變器、多級逆變混合非對稱逆變器[10]。其中，一階中點鉗位（NPC）逆變器為用直流電連接，最大電壓是3 400 V，在拓撲結構中使用的是IGBT模塊或二極管模塊FZ200R65KF1。一階多級對稱逆變器也被稱為1-1-1-1，因為它提供了4個H橋級聯單元，使用相同的直流輸入電壓源，要生成的相電壓峰值是3 400 V，直流源必須等于850 V。該裝置用于實現H橋單元，選取的型號為 BSM200GB170DLC。一階多級混合非對稱逆變器[11]。這種結構被稱為1-1-2，之所以叫這個名字是因為這種設計使單元 3產生的電壓幅度剛好是單元1和2的兩倍，即單元1和2的直流電壓源是850 V，而單元3是1 700 V。用于實現設備變頻的系統是全球地面觀測系統DG408BP45和二極管 DSF8045SK，最高功率單元（3）和較低功率單元（1和2）選取的型號為IGBT和二極管 BSM200GB170DLC。如圖 1所示，是一個典型的多級逆變混合非對稱逆變器的原理圖[12]。

圖 1 多級逆變混合非對稱逆變器的原理

2 多電平逆變器參數化建模

在文中的對比分析中使用的性能指標有：輸出電壓一階失真系數（DF1），總諧波失真（THD），半導體功率損耗和散熱量。輸出電壓一階失真系數是指逆變器輸出電壓時，由于漏電感產生的一階衰減量，如下式所示。信號的總諧波失真是指總體諧波頻率之和減去基本頻率之和，再除以基本頻率之和，所得的百分比[13]。

多電平逆變器工作時的功率損耗是建模時不可忽略的一個重要因素。半導體功率損耗可以通過每個設備數據表中的參數變化曲線（Vsat(θ)、E(θ)、I1(θ)估算出來。其中，Vsat是通態飽和電壓（Vce用于IGBT模塊，VF(θ)用于二極管模塊，VTM(θ)用于GTO模塊）；E(θ)表示在一次換向中的能量損耗。（Eon(θ)用于打開換向，Eoff(θ)用于關閉換向，Erec(θ)用于二極管反向復位過程）。

利用Matlab仿真工具，可以對多電平逆變器的主要工作參數進行建模分析，文中對 BSM200 GB170DL模塊、二極管 DSF8045SK、GTODG408 BP45模塊、 FZ200R65KF1等建模分析結果如下：

運用這個數學模型，針對每個設備不同的型號、傳導和開關，計算每個半導體逆變器的功率損耗，把得到的所有結果加總，可求出總功率損耗。

當半導體設備導電時會引發傳導功率損耗。下式給出了主要轉換器（IGB和GTO）的傳導功率損耗，其中condDP 給出的是二極管的傳導功率損耗。

式中， il(θ)是指負載電流，ma指調制幅度指數，φ指負載位移角，Vcmd-swx指轉換器SWX的指令信號。通過下式可計算出傳導功率損耗的總和：

每次開啟和關閉開關的瞬間都會產生功率損耗。開啟、關閉和復位產生的功率損耗可以分別由如下3個計算式算出：

將上述公式計算得出的各個半導體設備開啟、關閉和復位產生的功率損耗加總，就可以得到總開關的功率損耗。如下式：

總體功率損耗就是總傳導功率損耗和總開關功率損耗之和。如下式：

半導體在散熱時會產生功率損耗。任何一個半導體設備的穩定性和使用壽命都和設備的最大結點溫度直接相關。因此，散熱系統設計至關重要。

散熱系統采用一維模型進行分析，一維模型設計和熱阻（溫度和功率損耗之比）有關。其中，Pd是平均功率損耗，THSsw是散熱溫度，Ta是外界環境溫度。

散熱溫度（ RHSSW）可由下式求出：

應用一維模型進行分析的優點易于實現，這個模型假設所有外界環境溫度都通過散熱鰭轉化為內部熱量，且外界環境溫度是不變的。另外，這個一維模型的應用要受到兩個條件的限制：結點溫度不變；在散熱系統中心僅僅有一個功率損耗配置。

散熱系統使用的是 BSM200GB170DLC、M200GB170DLC、DG408BP45、DSF8045SK、FZ200R65KF1的散熱電阻。其中，Rθj-c是部件外殼和結點之間的熱阻，Rθc-s是部件外殼和散熱源之間的熱阻，Rθs-a是散熱源和外界環境之間的熱阻，Rθc-a是部件外殼和外界環境之間的熱阻。散熱系統設計中所使用的半導體熱阻參數如表1所示。

表 1 散熱系統設計中所使用的半導體熱阻參數

散熱系統利用鰭型散熱設計能夠很好地減少熱阻，在廠家生產散熱設備時都會給出器件的參數性能表。但是，由于理論數值和實際參數之間往往存在誤差，因此，在應用過程中需要進行參數修正，文中使用的溫差修正系數（F△T）和長度修正系數（FL）分別由下式進行計算：

最后，再求出長度修正系數，即散熱配置的長度，而該長度直接影響著總散熱量。

3 測試與分析

當3個系統中存在著相同的輸出濾波器時，即3個系統中使用的輸出濾波器的體積，重量和成本是一樣的， 且DF1都相等時，分析其載波頻率。所用的性能指標有：裝置的數量、輸出相電壓的級數、載波頻率、一階諧波段頻率、總諧波失真、一階失真系數、半導體功率損耗、散熱量和拓撲結構如表2所示，且測試分析時調幅系數設為1。

表2 3種逆變器的主要參數特征

經過仿真測試，得到NPC、對稱和混合非對稱逆變器的半導體功率損耗如圖2所示。其中NPC設計的總功率損耗為7 429 W，對稱逆變器是1 532 W，混合非對稱逆變器是1 136 W。通過分析發現NPC逆變器的功率損耗幾乎都和開關有關，這是因為NPC逆變器輸出電壓的級數較低，為實現相同的輸出濾波，就需要進行更多的開關操作。

圖2 3種逆變器的半導體功率損耗測試結果

NPC對稱和混合非對稱逆變器的總散熱量如圖3所示。NPC逆變器的總散熱長度是129.28 cm，對稱逆變器是 115.47 cm，混合非對稱逆變器是89.35 cm。NPC逆變器的總散熱容量是24 967 cm3，對稱逆變器是 19 286 cm3，混合非對稱逆變器是14 619 cm3。其中半導體功率損耗、熱量模型和散熱系統剖面共同決定了逆變器散熱的長度。通過對比分析可知，NPC逆變器的功率損耗幾乎比對稱逆變器和混合非對稱逆變器的5倍還高，而三者的散熱容量卻差不多一樣。

圖3 3種逆變器的半導體散熱量測試結果

接下來對一階多級混合非對稱逆變器的低壓原型系統進行測試分析。這種多電平逆變器使用了3個H橋單元組，額定輸出電量是1 kW。與之相連的直流電壓源是：VDC1=90 V，VDC2=90 V，VDC3=180 V，這些直流電壓通過多沖變壓器和4個三階整流器接入。每個整流器的額定負載是：P1=140 W，P2=240 W，P3=3273 W，P4=3273 W。單元3的直流電壓源通過2個連接的整流器接入。所有的H橋單元使用IGBT模塊均使用SK46GB063，該器件的參數化模型如下：

每個單元的功率損耗都能通過數學模型計算。通過計算，單元3的效率是97.36%，單元2是94.28%，單元1是91.03%，總效率是95.81%。

4 結語

通過對3種拓撲結構的多電平逆變器（混合非對稱逆變器（1-1-2），對稱逆變器（1-1-1-1），中點鉗位逆變器（NPC）進行建模仿真分析，掌握了目前3種典型的多電平逆變器主要參數特征之間的關系，建立了仿真分析模型[14-15]。由于在該模型下能夠對3種拓撲結構的多電平逆變器進行功率損耗和散熱量的分析，為研究高效率拓撲結構的多電平逆變器提供了條件和環境。

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