T型三電平與兩電平功率開關(guān)器件損耗計(jì)算與分析

祝 琳,宋宣鋒,李永崗,耿乙文

(中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,徐州221008)

0 引 言

隨著分布式發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展,對并網(wǎng)電能質(zhì)量的要求越來越高。分布式電源較多接入低壓配電系統(tǒng),低壓工作場合下的并網(wǎng)逆變器效率提升成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)[1]。多電平逆變器一般應(yīng)用在中壓大功率場合,其中以三電平中點(diǎn)鉗位型(以下簡稱NPC)逆變器應(yīng)用最為廣泛。三電平T型逆變器由NPC型逆變器演變而來,由于器件耐壓的限制,與兩電平逆變器一樣主要應(yīng)用在低壓場合[2]。相較于兩電平,T型拓?fù)渚哂腥娖降乃袃?yōu)勢,有利于減小并網(wǎng)電壓、電流諧波和濾波器的體積,較小的電壓電流變化率減小電路的電磁干擾。與NPC拓?fù)湎啾?T型拓?fù)鋼p耗小,沒有鉗位二極管,有利于減少成本和體積,更適合應(yīng)用在功率密度要求高的分布式光伏或風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、電動(dòng)汽車、飛行器等場合[3]。

目前,市場上逆變器的主要功率器件為IGBT。隨著新型寬禁帶材料(SiC,GaN)的研發(fā),將更有利于降低逆變器損耗,提高效率,而新型器件的大規(guī)模投入市場,仍有待進(jìn)一步研究。功率器件的損耗是制約逆變器效率提升的一個(gè)重要因素,因此,建立器件損耗計(jì)算模型對于分析各種影響因素以及優(yōu)化逆變器性能具有重要意義。文獻(xiàn)[4-6]根據(jù)IGBT暫態(tài)電壓、電流關(guān)系,建立開關(guān)損耗模型,計(jì)算復(fù)雜。文獻(xiàn)[7-8]簡要分析了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的損耗計(jì)算方法,對三電平逆變器損耗的分析具有一定指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[9-10]進(jìn)行線性擬合時(shí)考慮到結(jié)溫的影響,但未考慮驅(qū)動(dòng)電阻等的影響。文獻(xiàn)[11-14]對NPC型三電平逆變器導(dǎo)通損耗進(jìn)行推導(dǎo)和比較,但曲線擬合時(shí),未考慮結(jié)溫的影響。文獻(xiàn)[15]建立IGBT損耗模型時(shí),考慮因素全面,并推導(dǎo)出結(jié)溫解析表達(dá)式。

本文結(jié)合文獻(xiàn)[15-16]的方法,通過IGBT數(shù)據(jù)手冊上的主要參數(shù)和特性曲線,建立綜合考慮實(shí)際工作電壓、驅(qū)動(dòng)電阻和結(jié)溫的簡單曲線擬合方法,推導(dǎo)出三次諧波注入PWM法下T型三電平和兩電平逆變器損耗模型,給出其詳細(xì)損耗計(jì)算表達(dá)式,對比分析不同影響因素下兩種拓?fù)涞膿p耗,得出T型三電平比兩電平拓?fù)鋼p耗小的條件。

1 IGBT損耗模型

IGBT的損耗包含導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗,其中開關(guān)損耗又包括開通和關(guān)斷損耗。生產(chǎn)廠家會(huì)給出器件在特定工作條件下的主要參數(shù)和特性曲線,根據(jù)需要的參數(shù)可建立IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷平均損耗模型。

設(shè)計(jì)一臺(tái)5 kW逆變器,并網(wǎng)相電壓110 V,并網(wǎng)電流幅值21.43 A,直流側(cè)300 V。選用Infineon公司型號(hào)為IKW40N120T2的IGBT,建立其平均開關(guān)損耗模型。

1.1 IGBT導(dǎo)通損耗

IGBT工作于飽和區(qū)域時(shí),存在導(dǎo)通飽和壓降,因此產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。由于飽和壓降與流過IGBT的集電極電流呈非線性關(guān)系,很難對導(dǎo)通損耗進(jìn)行精確計(jì)算。為簡化和近似計(jì)算,對最大結(jié)溫下的飽和壓降與集電極電流的特性曲線作線性化近似,其典型特性定義:

式中:

式中:VCEN,ICN表示器件額定工作時(shí)的飽和壓降及電流;VCE0表示初始飽和壓降;VCEN(Tj)表示某結(jié)溫下的飽和壓降;VCEN(Tjmax)表示最大結(jié)溫下的飽和壓降。

同理,對二極管典型特性定義:

式中:

式中:VFN表示額定電流時(shí)二極管壓降;VF0表示二極管門檻電壓;VFN(Tj)表示某結(jié)溫下的二極管壓降;VFN(Tjmax)表示最大結(jié)溫下的二極管壓降。

IGBT和二極管的平均導(dǎo)通功率損耗可表示:

式中:D表示占空比函數(shù)。

1.2 IGBT開關(guān)損耗

IGBT開關(guān)損耗包括開通和關(guān)斷損耗。數(shù)據(jù)手冊上給出一定實(shí)驗(yàn)條件下IGBT能量損耗(包含二極管反向恢復(fù)能量損耗)曲線,根據(jù)這些曲線可近似計(jì)算出實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下的平均功率損耗。由于驅(qū)動(dòng)開通與關(guān)斷電阻可能不同,根據(jù)IKW40N120T2數(shù)據(jù)手冊,開通損耗表達(dá)式定義為:

式(1)中包含二

極管反向恢復(fù)損耗,關(guān)斷損耗定義:

式中:X,Y,Z,x,y為曲線擬合系數(shù)。

由數(shù)據(jù)手冊推導(dǎo)實(shí)際實(shí)驗(yàn)條件下的損耗,需對式(1)、式(2)進(jìn)行修正[16]。

式中:Eon(RG),Eoff(RG)表示實(shí)際驅(qū)動(dòng)電阻下開通、關(guān)斷能耗;Eon(RG,data),Eoff(RG,data)表示數(shù)據(jù)手冊驅(qū)動(dòng)電阻下開通、關(guān)斷能耗;Vdc(on),Vdc(off)表示實(shí)際器件開通前和關(guān)斷后的電壓;Vdc(data),Vdc(data)表示數(shù)據(jù)手冊中器件開通前和關(guān)斷后的電壓;Eon(Tj),Eoff(Tj)表示某結(jié)溫下的開通、關(guān)斷能耗;Eon(Tjmax),Eoff(Tjmax)表示最大允許結(jié)溫下的開通、關(guān)斷能耗。

IGBT開關(guān)一次的損耗:

一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)總開關(guān)功率損耗:

式中:k表示一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)開關(guān)次數(shù);T表示調(diào)制周期;In表示第n次開關(guān)時(shí)的集電極電流幅值。

當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于調(diào)制頻率時(shí),一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)損耗離散表達(dá)式可表示為連續(xù)形式:

式中:fs為一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的開關(guān)頻率。

2 T型三電平逆變器損耗分析與計(jì)算

2.1 T型三電平逆變器電流通路分析

與兩電平和NPC三電平相比,T型三電平逆變器具有不同的導(dǎo)通方式,為計(jì)算損耗,首先對電流通路進(jìn)行分析。圖1(a)為A相拓?fù)?圖1(b)為開關(guān)器件與電壓電流關(guān)系。

1)i＞0 時(shí)

逆變器處于P狀態(tài),Sa1導(dǎo)通,產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于P→O狀態(tài),Sa1關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗,Sa2一直導(dǎo)通,Sa3零電壓開通,無開通損耗;處于O狀態(tài)時(shí),Sa2,Da3產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于O→P狀態(tài),Sa1開通,產(chǎn)生開通損耗,Da3關(guān)斷,產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗;處于O→N狀態(tài),Sa3一直導(dǎo)通,Sa2關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗,Sa4零電壓開通,無開通損耗;處于N狀態(tài),電流流過Da4,產(chǎn)生導(dǎo)通損耗。處于N→O狀態(tài),Da4關(guān)斷,產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,Sa2開通,產(chǎn)生開通損耗。

2)i＜0 時(shí)

當(dāng)逆變器處于P狀態(tài),Da1導(dǎo)通,產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于P→O狀態(tài),Sa1零電壓關(guān)斷,無關(guān)斷損耗,Sa2一直導(dǎo)通,Sa3開通產(chǎn)生開通損耗;Da1關(guān)斷,產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗;處于O狀態(tài),Sa3,Da2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于O→P狀態(tài),Sa3關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗,Sa1零電壓開通,無開通損耗;處于O→N狀態(tài),Da2關(guān)斷,產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,Sa4開通,產(chǎn)生開通損耗;處于N狀態(tài),Sa4產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于N→O狀態(tài),Sa4關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗。

圖1 A相拓?fù)浼皩?dǎo)通器件與電壓電流關(guān)系

2.2 損耗計(jì)算

逆變器的調(diào)制方法有SPWM和SVPWM算法。SVPWM相較于SPWM,具有提高直流側(cè)電壓利用率、數(shù)字化實(shí)現(xiàn)簡單的優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用更為廣泛。而損耗計(jì)算時(shí),需要明確占空比表達(dá)式,SPWM算法占空比表達(dá)式簡單,SVPWM算法占空比表達(dá)式復(fù)雜。研究文獻(xiàn)表明,SVPWM從本質(zhì)上等價(jià)于注入三次諧波的SPWM算法(以下簡稱THIPWM)[17],且通過THIPWM算法計(jì)算開關(guān)器件占空比函數(shù)簡單,因此采用THIPWM算法調(diào)制函數(shù)推導(dǎo)損耗計(jì)算表達(dá)式。

采用SPWM和THIPWM時(shí)的調(diào)制電壓波形:

式中:m為調(diào)制系數(shù),且0＜m≤1。

T型三電平逆變器通常采用同相雙載波調(diào)制方式,其占空比如表1所示。

表1 T型三電平拓?fù)鋵?dǎo)通器件占空比

則器件導(dǎo)通損耗計(jì)算表達(dá)式如下:

由上述分析可知,在i＞0時(shí),只有Sa1,Sa2產(chǎn)生開關(guān)損耗,在i＜0時(shí),Sa3,Sa4產(chǎn)生開關(guān)損耗,開關(guān)損耗表達(dá)式如下,具體展開式在此不贅述。

3 兩電平逆變器損耗分析與計(jì)算

3.1 兩電平逆變器電流通路分析

圖2(a)為兩電平A相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖,圖2(b)為一個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件與電壓電流關(guān)系。為推導(dǎo)兩電平損耗計(jì)算公式,對電流通路進(jìn)行分析。

圖2 A相拓?fù)浼皩?dǎo)通器件與電壓電流關(guān)系

1)i＞0

當(dāng)逆變器處于P狀態(tài),Sa1導(dǎo)通,產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于P→N狀態(tài),Sa1關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗,Da2導(dǎo)通,Sa2零電壓開通,無開通損耗;處于N狀態(tài),Da2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于N→P狀態(tài),Sa2零電壓關(guān)斷,無關(guān)斷損耗,Da2關(guān)斷,產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,Sa1開通產(chǎn)生開通損耗。

2)i＜0

當(dāng)逆變器處于P狀態(tài),Da1導(dǎo)通,產(chǎn)生導(dǎo)通損耗;處于P→N狀態(tài),Sa1零電壓關(guān)斷,無關(guān)斷損耗,Da1產(chǎn)生反向恢復(fù)損耗,Sa2開通,產(chǎn)生開通損耗;處于N狀態(tài),Sa2產(chǎn)生導(dǎo)通損耗處于N→P狀態(tài),Sa2關(guān)斷,產(chǎn)生關(guān)斷損耗,Da1導(dǎo)通,Sa1零電壓開通,無開通損耗。

3.2 兩電平逆變器損耗計(jì)算

兩電平逆變器采用單載波調(diào)制方式,其開關(guān)器件占空比如表2所示。

表2 兩電平拓?fù)鋵?dǎo)通器件占空比

由于電路對稱,開關(guān)器件導(dǎo)通損耗計(jì)算如下:

由上述分析知,Sa1,Sa2只在半個(gè)周期內(nèi)產(chǎn)生開關(guān)損耗,器件損耗具體表達(dá)式在此不展開。

兩電平逆變器一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)器件總損耗:

兩電平逆變器的開關(guān)損耗僅與電流和開關(guān)頻率有關(guān),導(dǎo)通損耗與電流、調(diào)制系數(shù)和功率因數(shù)角有關(guān);T型三電平逆變器開關(guān)損耗與電流、開關(guān)頻率和功率因數(shù)角有關(guān),導(dǎo)通損耗與電流、調(diào)制系數(shù)和功率因數(shù)角有關(guān)。

4 兩種拓?fù)鋼p耗對比

變量及參數(shù)的數(shù)值如表3所示,通過MATLAB進(jìn)行損耗分析計(jì)算。實(shí)際驅(qū)動(dòng)開通電阻12 Ω,關(guān)斷電阻6 Ω,直流側(cè)電壓Vdc=300 V。對于兩電平逆變器,Sa1,Sa2的導(dǎo)通、關(guān)斷電壓Vdc(on)=Vdc(off)=300 V。對于T型三電平逆變器Sa1,Sa4的導(dǎo)通、關(guān)斷電壓Vdc(on)=Vdc(off)=150 V;Sa2,Sa3的導(dǎo)通、關(guān)斷電壓Vdc(on)=Vdc(off)=75 V。

表3 變量及參數(shù)

當(dāng)單位功率因數(shù)(φ=0)并網(wǎng)時(shí),兩電平并網(wǎng)逆變器器件損耗與開關(guān)頻率、電流的關(guān)系如圖3所示。

從圖3中分析可知:

(1)單位功率因數(shù)時(shí),兩電平并網(wǎng)逆變器IGBT開關(guān)損耗和總損耗分別隨著開關(guān)頻率和并網(wǎng)電流的增大而增大。

(2)單位功率因數(shù)時(shí),IGBT和二極管導(dǎo)通損耗隨著電流增大而增大,與開關(guān)頻率無關(guān)。

圖3 m=0.866時(shí),兩電平逆變器損耗

當(dāng)單位功率因數(shù)(φ=0)并網(wǎng)時(shí),T型三電平并網(wǎng)逆變器器件損耗與開關(guān)頻率、電流的關(guān)系如圖4所示。

由圖4可以看出:

(1)單位功率因數(shù)時(shí),Sa1開關(guān)損耗和總損耗隨著電流和開關(guān)頻率的增大而增大,Sa2無開關(guān)損耗。

圖4 m=0.866時(shí),T型三電平逆變器器件損耗

(2)單位功率因數(shù)時(shí),Sa1,Sa2和Da2導(dǎo)通損耗隨著電流增大而增大,Da1無導(dǎo)通損耗。

圖5分別給出了不同電流下,兩種拓?fù)鋼p耗與開關(guān)頻率關(guān)系曲線。

圖5 不同電流下兩種拓?fù)鋼p耗與開關(guān)頻率關(guān)系

從圖5中可以看出:

(1)并網(wǎng)電流幅值一定時(shí),隨著開關(guān)頻率的增大,兩種拓?fù)鋼p耗隨之增加;

(2)隨著并網(wǎng)電流幅值的增大,兩者損耗交叉點(diǎn)處的開關(guān)頻率逐漸增大。

(3)小于損耗交叉點(diǎn)處開關(guān)頻率的區(qū)段,T型拓?fù)鋼p耗比兩電平拓?fù)浯?反之,前者損耗比后者小。

圖6分別給出了不同開關(guān)頻率下,兩種拓?fù)鋼p耗與電流關(guān)系曲線。從圖6中可以看出:

(1)當(dāng)開關(guān)頻率一定時(shí),兩種拓?fù)鋼p耗隨著電流幅值增大而增大。

(2)當(dāng)開關(guān)頻率小于或等于1 kHz時(shí),不同電流下,T型三電平拓?fù)涞目倱p耗比兩電平損耗大,失去三電平的優(yōu)勢。

(3)隨著開關(guān)頻率的增大,兩種拓?fù)鋼p耗交叉點(diǎn)右移,相比于兩電平,T型三電平的總損耗逐漸減小。

(4)在開關(guān)頻率8 kHz時(shí),在全電流范圍內(nèi),T型三電平拓?fù)浔葍呻娖酵負(fù)湫　?/p>

圖6 不同開關(guān)頻率下兩種拓?fù)鋼p耗與電流關(guān)系

由圖5、圖6可知,為了發(fā)揮T型三電平逆變器的優(yōu)勢,使其拓?fù)鋼p耗在允許最大電流范圍內(nèi)比兩電平拓?fù)鋼p耗小,需設(shè)置一定大小的開關(guān)頻率。經(jīng)計(jì)算,在最大電流幅值(I=21.5 A)、單位功率因數(shù)(φ=0)和調(diào)制系數(shù)m=0.866時(shí),在6.8 kHz開關(guān)頻率處,兩種拓?fù)鋼p耗相等;開關(guān)頻率大于6.8 kHz時(shí),T型三電平拓?fù)渚哂懈〉膿p耗。

5 結(jié) 語

本文對比研究了兩電平和T型三電平逆變器拓?fù)鋼p耗。通過器件特征參數(shù),建立一種同時(shí)考慮工作電壓、驅(qū)動(dòng)電阻和結(jié)溫的簡單曲線擬合方法,推導(dǎo)出三次諧波注入調(diào)制算法下兩種拓?fù)涞膿p耗計(jì)算模型,得出如下結(jié)論:

(1)損耗模型與調(diào)制系數(shù)、電流、功率因數(shù)角和開關(guān)頻率有關(guān)。

(2)單位功率因數(shù)并網(wǎng)條件下,當(dāng)開關(guān)頻率大于6.8 kHz時(shí),可使得T型三電平拓?fù)鋼p耗在允許的全電流范圍內(nèi)比兩電平拓?fù)鋼p耗小。又由于三電平拓?fù)渚哂懈玫妮敵鲭娔苜|(zhì)量,可減少濾波器損耗,此時(shí),T型三電平并網(wǎng)逆變器具有更高的效率。