最小開關損耗SVPWM優化方式的研究與仿真

孫 雨，劉文生，劉 暢

(大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028)*

0 引言

空間矢量脈寬調制技術(SVPWM)在電氣傳動領域已經得到廣泛的應用.相比傳統的正弦脈寬調制(SPWM)，SVPWM技術具有產生的磁鏈更逼近圓、輸出諧波含量更小、電壓利用率更高等優點［1］.但SVPWM控制下的逆變器會產生較大的開關損耗，這也是導致逆變器工作溫度過高，甚至燒損的主要原因［2］.通過研究得知，通過對脈寬調制策略的優化可以有效的減小開關損耗.

本文從分析開關損耗計算模型出發，針對提出的幾種不同SVPWM控制模式及不同開關點相位，對逆變器開關損耗進行了分析和建模仿真，通過仿真數據找出最小開關損耗SVPWM優化方式.

1 開關損耗線性估算模型

文獻［3］總結歸納了常用的幾種IGBT損耗的計算模型.其中利用數據手冊的線性估算法便于實現和運用.文獻［4］提出了一種基于系統仿真的逆變器損耗的估算分析方法.本文在這基礎上進行改進，建立了一種更加精確的開關損耗估算模型.

對于180°脈沖型兩電平三相逆變器，在PWM調制下每相每次只有一個開關動作.當開關電流iA＞0時，上橋臂切換到下橋臂會產生一次IGBT關斷損耗Eoff(忽略二極管開通損耗)，下橋臂切換到上橋臂會產生一次IGBT導通損耗Eon和一次續流二極管反向關斷損耗Erec(如圖1);當iA＜0時則情況相反［5］.因此A相在一個周期內的功率損耗可表示為:

式中:iA(n)為開關電流，N為載波比.由式(1)得知，影響開關損耗有兩個因素，一是開關次數N，二是開關時電流的大小|iA(n)|.

圖1 A相開關動作

2 SVPWM原理及相位分析

電壓矢量扇形圖如圖2所示，三相兩電平逆變器有8種開關狀態對應8個基本電壓矢量，分別為 U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7，其中 U0、U7為零電壓矢量，U1～U6為有效基本電壓矢量，并將空間劃分成6個扇區，每個扇區內的電壓矢量由相鄰的兩個基本電壓矢量合成.

圖2 電壓矢量扇形圖

圖3 A相輸出相電壓和電流

以A相為例(圖3)，在負載為感性負載情況下，設電壓相位角為0，則電流落后電壓φ角度.-φ即為電流的相位角，同時為負載的功率因數角.所以電流的位置由負載功率因數角決定.如果在參考電壓為正序三相對稱電壓，如圖2，逆變器輸出三相電壓 Ua、Ub、Uc分別在 U1、U3、U5處達到峰值即 Uam、Ubm、Ucm，而輸出三相電流 Ia、Ib、Ic分別在 Iam、Ibm、Icm處達到峰值.

3 幾種SVPWM優化方式及比較

由上述得知，在逆變器各參數一定的情況下，影響逆變器開關損耗的兩個因素:一是開關次數即由開關頻率決定，二是開關時刻電流的大小，也就是電流與開關的相對位置即由功率因數角決定，這兩個因素都可以通過脈寬調制策略來進行控制［6］.

一般情況下，開關頻率在等于載波頻率.若通過改變調制策略，使開關在一段時間內不動作，就可以實現開關頻率小于載波頻率從而減小開關頻率.文獻［7-8］介紹的幾種減少開關損耗的SVPWM優化方式都是通過在不同扇區采用不同類型的作用零矢量即(000)矢量或(111)矢量，使每相在360°扇形區中產生120°的開關不動作扇區，來有效的減小1/3開關頻率，從而減少1/3的開關損耗.但幾種優化方式只考慮開關頻率單一因素對開關損耗的影響，沒有進一步考慮開關電流因素的影響.因此其中沒有最大程度減小開關損耗的優化方式.

當存在開關不動作區的情況下，若通過改變調制策略，使電流最大區域與開關不動作區域盡可能重合，就可以進一步減小開關損耗.文獻［9］對最小開關損耗優化方式的進行了理論分析，這種優化方式在減小1/3的開關頻率的基礎上，控制開關不動作區對稱分布在電流峰值兩側，從而進一步在最大程度上減小大約1/2的開關損耗.但文獻僅對這種優化方式進行了定性的理論分析，缺少定量的數據分析.

考慮到希望上下橋臂損耗均勻和作用對象大多為感性負載這兩點原因，本文選取文獻其中幾個較為適用的優化方式進行分析和比較.

(1)優化方式1

優化五段式SVPWM調制，交叉零矢量分配.6個扇形區中:1，3，5扇形區采用(111)零矢量，2，4，6扇形區采用(000)零矢量.存在開關不動作區域，開關損耗大小受負載功率因數角影響.則優化方式1的A相開關切換點波形的函數表達式為

開關在整個360度周期內存在兩個相對稱60°的不動作區域0°～ 60°和180°～ 240°，因此開關頻率減小1/3，同時開關損耗受大小負載功率因數角影響.

(2)優化方式2

優化五段式SVPWM調制，交叉零矢量分配.12 個扇形區中:1，4，5，8，9，12 扇形區采用(111)零矢量;2，3，6，7，10，11 扇形區采用(000)矢量.存在開關不動作區域.開關損耗大小受負載功率因數角影響.則優化方式2的A相開關切換點波形的函數表達式為

開關在整個360°周期內存在兩個相對稱60°的不動作區域 -30°～30°和150°～210°，因此開關頻率減小1/3.同時開關損耗大小受負載功率因數角影響.

(3)優化方式3

因為優化方式1、2都是開關位置固定，所以只有當功率因數角φ=30°和φ=0°時，開關不動作區才能對稱分布在電流峰值兩側，才能最大程度避開電流最大時刻，達到開關損耗最小.然而實際情況中，負載功率因數角不一定為0°或30°并且不能擅自改變給定負載的功率因數角.因此需要一種不固定開關的位置的通用優化方式，即通過功率因數角來控制扇區分配的位置，使開關不動作區分布在電流峰值兩側，來達到損耗最小［10］，即優化方式3.

優化五段式SVPWM調制，交叉零矢量分配.12 個扇形區中:1，4，5，8，9，12 扇形區采用(111)零矢量;2，3，6，7，10，11 扇形區采用(000)矢量.使每一相有對稱60°的開關不動作區，開關頻率減少1/3.開關損耗基本不受功率因數角的影響.則優化方式3的A相開關切換點波形的函數表達式為

開關在整個360°周期內存在兩個相對稱60°的不動作區域φ-30°～30°+φ和150°+φ～210°+φ，因此開關頻率減小1/3.開關損耗基本不受功率因數角的影響［11］，始終達到開關損耗最小.

4 仿真結果

利用MATLAB/SIMULINK構建開關損耗損耗估算模型，并對上述幾種優化方式進行仿真.參數設置:直流電壓 VDC=1 500 V，調制比 m=1.0 ，負載阻抗 Z=10 Ω，負載功率因數 0.92，基波頻率fS=50 Hz，載波頻率 fZ=1 650 Hz，開關損耗計算中各損耗參數采用永濟電機的YMIA1500-33型IGBT功率模塊參數:VDCN=1800 V，IAN=1 500 A，Eon=2 600 mJ，Eoff=2 500 mJ，Erec=1 650 mJ.

如圖4為四種調制方式A相在一個周期內的功率損耗分布圖和輸出電流頻譜圖，可以看出優化方式3調制下，開關不動作區可以盡可能的與電流最大區重合，從而最大程度的減小開關損耗.

圖4 功率損耗分布圖和輸出電流頻譜圖

表1為不同調制度下，四種方式調制下的開關損耗大小.可知優化方式3可以最大程度的減少開關損耗，最多可減少將近1/2.同時隨著調制度的增加，三種優化方式減少開關損耗的能力都不同程度的下降，其中對優化方式3的影響最大.

表2為不同調制度下，四種方式調制下的輸出電流畸變率大小.可以看出高調制度時，優化方式調制下的輸出電流畸變率低于原SVPWM方式，低調制度時情況相反.因此優化方式在高調制度時更適用.

表1 不同調制度下的開關損耗

表2 不開關波頻率下電流畸變率

5 結論

優化方式3在減小1/3開關頻率的基礎上，通過采用功率因數角決定扇區劃分的方法，最大程度的將開關不動作區域落在開關電流最大時刻，從而最大程度的減小大約1/2的開關損耗，達到了最小開關損耗的目的.本文已經通過理論分析和仿真驗證證實了這優化方式的正確性和可行性.

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