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(lǐng)域中非常常見(jiàn)的器件，其具有諧波小、共模電壓和波動(dòng)幅度小、抗干擾能力強(qiáng)、開(kāi)關(guān)頻率低、綜合效率高等特點(diǎn)。近年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用，針對(duì)多電平逆變器的相關(guān)研究也層出不窮，目前主要集中在對(duì)多電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[1-2]和控制策略方面[3-4]的研究。

在對(duì)多電平逆變器的拓?fù)溲芯繒r(shí)，又重點(diǎn)是對(duì)其功率損耗進(jìn)行研究，比如對(duì)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(lián)多電平逆變器的功率損耗分析等[5-6]。但總體而言，目前對(duì)的研究大多沒(méi)有對(duì)多電平逆變器的功率損耗和散熱量進(jìn)行綜合分析[7]。文中將在相同輸出電壓條件下，對(duì)最常用的3種逆變器，即對(duì)稱(chēng)串聯(lián)多電平逆變器、混合非對(duì)稱(chēng)串聯(lián)多電平逆變器和中點(diǎn)鉗位逆變器進(jìn)行分析[8-9]，重點(diǎn)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(qū)動(dòng)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，包括中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器、多級(jí)逆變對(duì)稱(chēng)逆變器、多級(jí)逆變混合非對(duì)稱(chēng)逆變器[10]。其中，一階中點(diǎn)鉗位（NPC）逆變器為用直流電連接，最大電壓是3 400 V，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中使用的是IGBT模塊或二極管模塊FZ200R65KF1。一階多級(jí)對(duì)稱(chēng)逆變器也被稱(chēng)為1-1-1-1，因?yàn)樗峁┝?個(gè)H橋級(jí)聯(lián)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(shí)現(xiàn)H橋單元，選取的型號(hào)為 BSM200GB170DLC。一階多級(jí)混合非對(duì)稱(chēng)逆變器[11]。這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為1-1-2，之所以叫這個(gè)名字是因?yàn)檫@種設(shè)計(jì)使單元 3產(chǎn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備變頻的系統(tǒng)是全球地面觀測(cè)系統(tǒng)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(hào)為IGBT和二極管 BSM200GB170DLC。如圖 1所示，是一個(gè)典型的多級(jí)逆變混合非對(duì)稱(chēng)逆變器的原理圖[12]。

圖 1 多級(jí)逆變混合非對(duì)稱(chēng)逆變器的原理

2 多電平逆變器參數(shù)化建模

在文中的對(duì)比分析中使用的性能指標(biāo)有：輸出電壓一階失真系數(shù)（DF1），總諧波失真（THD），半導(dǎo)體功率損耗和散熱量。輸出電壓一階失真系數(shù)是指逆變器輸出電壓時(shí)，由于漏電感產(chǎn)生的一階衰減量，如下式所示。信號(hào)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(shí)的功率損耗是建模時(shí)不可忽略的一個(gè)重要因素。半導(dǎo)體功率損耗可以通過(guò)每個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)表中的參數(shù)變化曲線(xiàn)（Vsat(θ)、E(θ)、I1(θ)估算出來(lái)。其中，Vsat是通態(tài)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(kāi)換向，Eoff(θ)用于關(guān)閉換向，Erec(θ)用于二極管反向復(fù)位過(guò)程）。

利用Matlab仿真工具，可以對(duì)多電平逆變器的主要工作參數(shù)進(jìn)行建模分析，文中對(duì) BSM200 GB170DL模塊、二極管 DSF8045SK、GTODG408 BP45模塊、 FZ200R65KF1等建模分析結(jié)果如下：

運(yùn)用這個(gè)數(shù)學(xué)模型，針對(duì)每個(gè)設(shè)備不同的型號(hào)、傳導(dǎo)和開(kāi)關(guān)，計(jì)算每個(gè)半導(dǎo)體逆變器的功率損耗，把得到的所有結(jié)果加總，可求出總功率損耗。

當(dāng)半導(dǎo)體設(shè)備導(dǎo)電時(shí)會(huì)引發(fā)傳導(dǎo)功率損耗。下式給出了主要轉(zhuǎn)換器（IGB和GTO）的傳導(dǎo)功率損耗，其中condDP 給出的是二極管的傳導(dǎo)功率損耗。

式中， il(θ)是指負(fù)載電流，ma指調(diào)制幅度指數(shù)，φ指負(fù)載位移角，Vcmd-swx指轉(zhuǎn)換器SWX的指令信號(hào)。通過(guò)下式可計(jì)算出傳導(dǎo)功率損耗的總和：

每次開(kāi)啟和關(guān)閉開(kāi)關(guān)的瞬間都會(huì)產(chǎn)生功率損耗。開(kāi)啟、關(guān)閉和復(fù)位產(chǎn)生的功率損耗可以分別由如下3個(gè)計(jì)算式算出：

將上述公式計(jì)算得出的各個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備開(kāi)啟、關(guān)閉和復(fù)位產(chǎn)生的功率損耗加總，就可以得到總開(kāi)關(guān)的功率損耗。如下式：

總體功率損耗就是總傳導(dǎo)功率損耗和總開(kāi)關(guān)功率損耗之和。如下式：

半導(dǎo)體在散熱時(shí)會(huì)產(chǎn)生功率損耗。任何一個(gè)半導(dǎo)體設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命都和設(shè)備的最大結(jié)點(diǎn)溫度直接相關(guān)。因此，散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

散熱系統(tǒng)采用一維模型進(jìn)行分析，一維模型設(shè)計(jì)和熱阻（溫度和功率損耗之比）有關(guān)。其中，Pd是平均功率損耗，THSsw是散熱溫度，Ta是外界環(huán)境溫度。

散熱溫度（ RHSSW）可由下式求出：

應(yīng)用一維模型進(jìn)行分析的優(yōu)點(diǎn)易于實(shí)現(xiàn)，這個(gè)模型假設(shè)所有外界環(huán)境溫度都通過(guò)散熱鰭轉(zhuǎn)化為內(nèi)部熱量，且外界環(huán)境溫度是不變的。另外，這個(gè)一維模型的應(yīng)用要受到兩個(gè)條件的限制：結(jié)點(diǎn)溫度不變；在散熱系統(tǒng)中心僅僅有一個(gè)功率損耗配置。

散熱系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)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(huán)境之間的熱阻，Rθc-a是部件外殼和外界環(huán)境之間的熱阻。散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的半導(dǎo)體熱阻參數(shù)如表1所示。

表 1 散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所使用的半導(dǎo)體熱阻參數(shù)

散熱系統(tǒng)利用鰭型散熱設(shè)計(jì)能夠很好地減少熱阻，在廠(chǎng)家生產(chǎn)散熱設(shè)備時(shí)都會(huì)給出器件的參數(shù)性能表。但是，由于理論數(shù)值和實(shí)際參數(shù)之間往往存在誤差，因此，在應(yīng)用過(guò)程中需要進(jìn)行參數(shù)修正，文中使用的溫差修正系數(shù)（F△T）和長(zhǎng)度修正系數(shù)（FL）分別由下式進(jìn)行計(jì)算：

最后，再求出長(zhǎng)度修正系數(shù)，即散熱配置的長(zhǎng)度，而該長(zhǎng)度直接影響著總散熱量。

3 測(cè)試與分析

當(dāng)3個(gè)系統(tǒng)中存在著相同的輸出濾波器時(shí)，即3個(gè)系統(tǒng)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(shí)，分析其載波頻率。所用的性能指標(biāo)有：裝置的數(shù)量、輸出相電壓的級(jí)數(shù)、載波頻率、一階諧波段頻率、總諧波失真、一階失真系數(shù)、半導(dǎo)體功率損耗、散熱量和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如表2所示，且測(cè)試分析時(shí)調(diào)幅系數(shù)設(shè)為1。

表2 3種逆變器的主要參數(shù)特征

經(jīng)過(guò)仿真測(cè)試，得到NPC、對(duì)稱(chēng)和混合非對(duì)稱(chēng)逆變器的半導(dǎo)體功率損耗如圖2所示。其中NPC設(shè)計(jì)的總功率損耗為7 429 W，對(duì)稱(chēng)逆變器是1 532 W，混合非對(duì)稱(chēng)逆變器是1 136 W。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)NPC逆變器的功率損耗幾乎都和開(kāi)關(guān)有關(guān)，這是因?yàn)镹PC逆變器輸出電壓的級(jí)數(shù)較低，為實(shí)現(xiàn)相同的輸出濾波，就需要進(jìn)行更多的開(kāi)關(guān)操作。

圖2 3種逆變器的半導(dǎo)體功率損耗測(cè)試結(jié)果

NPC對(duì)稱(chēng)和混合非對(duì)稱(chēng)逆變器的總散熱量如圖3所示。NPC逆變器的總散熱長(zhǎng)度是129.28 cm，對(duì)稱(chēng)逆變器是 115.47 cm，混合非對(duì)稱(chēng)逆變器是89.35 cm。NPC逆變器的總散熱容量是24 967 cm3，對(duì)稱(chēng)逆變器是 19 286 cm3，混合非對(duì)稱(chēng)逆變器是14 619 cm3。其中半導(dǎo)體功率損耗、熱量模型和散熱系統(tǒng)剖面共同決定了逆變器散熱的長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)比分析可知，NPC逆變器的功率損耗幾乎比對(duì)稱(chēng)逆變器和混合非對(duì)稱(chēng)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(dǎo)體散熱量測(cè)試結(jié)果

接下來(lái)對(duì)一階多級(jí)混合非對(duì)稱(chēng)逆變器的低壓原型系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析。這種多電平逆變器使用了3個(gè)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(guò)多沖變壓器和4個(gè)三階整流器接入。每個(gè)整流器的額定負(fù)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(guò)2個(gè)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(shù)化模型如下：

每個(gè)單元的功率損耗都能通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算。通過(guò)計(jì)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(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器（混合非對(duì)稱(chēng)逆變器（1-1-2），對(duì)稱(chēng)逆變器（1-1-1-1），中點(diǎn)鉗位逆變器（NPC）進(jìn)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(shù)特征之間的關(guān)系，建立了仿真分析模型[14-15]。由于在該模型下能夠?qū)?種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器進(jìn)行功率損耗和散熱量的分析，為研究高效率拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多電平逆變器提供了條件和環(huán)境。

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