基于改進(jìn)虛擬空間矢量的NPC三電平逆變器損耗分析

宋敏，陳權(quán)，李國(guó)麗，胡存剛

（1.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（安徽大學(xué)），安徽 合肥 230601；3.教育部電能質(zhì)量工程研究中心（安徽大學(xué)），安徽 合肥 230601）

基于改進(jìn)虛擬空間矢量的NPC三電平逆變器損耗分析

宋敏1，2，陳權(quán)1，3，李國(guó)麗2，3，胡存剛2，3

（1.安徽大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.高節(jié)能電機(jī)及控制技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室（安徽大學(xué)），安徽 合肥 230601；3.教育部電能質(zhì)量工程研究中心（安徽大學(xué)），安徽 合肥 230601）

針對(duì)傳統(tǒng)虛擬空間矢量算法在實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位全范圍可控的同時(shí)，增加了元器件開(kāi)關(guān)頻率，進(jìn)而提高了系統(tǒng)損耗導(dǎo)致器件結(jié)溫升高的不足，提出一種改進(jìn)的虛擬空間矢量算法，對(duì)冗余小矢量的作用時(shí)間進(jìn)行了更加精確的分配，并保證了小區(qū)域切換時(shí)輸出狀態(tài)平滑過(guò)渡，損耗大大低于傳統(tǒng)虛擬空間矢量調(diào)制，提高了系統(tǒng)效率。仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該算法的正確性與可行性。

虛擬空間矢量；中點(diǎn)電位；結(jié)溫；損耗

中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器自1981年被日本學(xué)者提出之后，迅速地被應(yīng)用于中高壓、大功率領(lǐng)域［1］。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與兩電平的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，器件承受的電壓僅為后者的一半，輸出波形得到改善。但是中點(diǎn)電位不平衡卻是中點(diǎn)鉗位型三電平逆變器的固有問(wèn)題，針對(duì)該問(wèn)題，許多學(xué)者提出了不同的調(diào)制策略［2-4］，采用虛擬空間矢量調(diào)制是解決該問(wèn)題的有效方案。傳統(tǒng)的虛擬矢量調(diào)制策略（VSVPWM）能夠?qū)崿F(xiàn)在不同負(fù)載下三電平逆變器對(duì)中點(diǎn)電位的完全控制［5］，但由于目前NPC逆變器的主流功率器件為IGBT與快恢復(fù)二極管［6］，虛擬矢量的合成，增加了1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換次數(shù)，增加了元器件的損耗，降低了系統(tǒng)的效率。因此，在保證中點(diǎn)電位平衡的同時(shí)恰當(dāng)處理?yè)p耗與熱處理及系統(tǒng)效率的關(guān)系變得十分重要。本文采用平衡因子以及電壓調(diào)整系數(shù)對(duì)小矢量及中矢量進(jìn)行重新合成，對(duì)傳統(tǒng)的虛擬矢量在每個(gè)大區(qū)內(nèi)全部采用相同首發(fā)正小矢量或負(fù)小矢量［7］的方法進(jìn)行改進(jìn)，在某個(gè)扇區(qū)的小區(qū)域切換時(shí)保證輸出矢量平穩(wěn)過(guò)渡，利用三電平VSVPWM策略與三電平SPWM策略的調(diào)制波等效關(guān)系對(duì)系統(tǒng)的效率及器件損耗等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了分析。

1 虛擬空間矢量調(diào)制策略

文獻(xiàn)［8］對(duì)中點(diǎn)電位不平衡機(jī)理進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)中點(diǎn)電流的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電容兩端電壓的平衡控制，即在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，中點(diǎn)的平均電流io為o。

以如圖1所示的第Ⅰ扇區(qū)為例進(jìn)行分析。

圖1 扇區(qū)Ⅰ區(qū)域劃分Fig.1 The region division of sectorⅠ

1.1 虛擬小矢量

每個(gè)小矢量由正負(fù)2個(gè)小矢量構(gòu)成，由于它們對(duì)中點(diǎn)電位的作用相反，因此，合理地分配比例系數(shù)，可以保證中點(diǎn)電位的平衡。以小矢量Vpoo,Vonn為例，構(gòu)建虛擬小矢量Vs1：

式中：h1為中點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)系數(shù)，0≤h1≤1。

當(dāng)h1=0.5時(shí)，正負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電位的作用可以相互抵消。

1.2 虛擬中矢量

中矢量對(duì)中點(diǎn)電位的影響是最大的，以第Ⅰ扇區(qū)的矢量Vpon為例，該矢量對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流為ib,矢量Vonn,Vppo對(duì)應(yīng)的中點(diǎn)電流為ia,ic。利用小矢量及中矢量合成虛擬中矢量，使其對(duì)中點(diǎn)電位的影響最小，以矢量Vpon為例，對(duì)應(yīng)的虛擬中矢量為

式中：h2,h3,h4為中點(diǎn)電壓調(diào)節(jié)系數(shù)，h2+h3+ h4=1,0＜h2,h3,h4＜1。當(dāng)h2=h3=h4=1/3時(shí)，在1個(gè)采樣周期Ts內(nèi)（Ts一般都很?。噍敵鲭娏髦蜑?。

由于大矢量與零量大矢量對(duì)中點(diǎn)電位沒(méi)有影響，不予考慮。

2 改進(jìn)的的虛擬矢量算法

旋轉(zhuǎn)的參考矢量Vref（Vref=m·ejθ,m=3Vref/）的位置由調(diào)制度m以及角度θ共同決定，當(dāng)Vref在不同的扇區(qū)切換時(shí)，為保證輸出電壓的平滑過(guò)渡，正、負(fù)小矢量有時(shí)不能成對(duì)出現(xiàn)，因此合理地選擇開(kāi)關(guān)序列，對(duì)于減小損耗變得至關(guān)重要。表1為圖1扇區(qū)中調(diào)制度不同時(shí)，參考矢量經(jīng)過(guò)的區(qū)域。

表1 調(diào)制度對(duì)應(yīng)的區(qū)域Tab.1 The area corresponding to modulation degree

表1中，序列1、序列2、序列3、序列4分別為

2.1 虛擬矢量

本文在虛擬矢量調(diào)制的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，只對(duì)中矢量、小矢量進(jìn)行虛擬。在第Ⅰ扇區(qū)中，對(duì)采用兩對(duì)小矢量VS1,VS2的區(qū)域A1,A2,A3,A4，分配了2個(gè)時(shí)間調(diào)節(jié)因子r1和r2，同時(shí)引入了電壓調(diào)節(jié)系數(shù) f。根據(jù)小矢量作用時(shí)間t1和t2大小來(lái)決定r1和r2，以增強(qiáng)作用時(shí)間長(zhǎng)的正、負(fù)小矢量對(duì)中點(diǎn)電流的控制能力。

以參考矢量位于A3區(qū)域?yàn)槔?，由電流平衡表達(dá)式得：

將式（4）、式（5）帶入式（6）得：

同理，根據(jù)中點(diǎn)電流平衡表達(dá)式，可依次求出當(dāng)參考矢量位于區(qū)域A1,A2,A4時(shí)電壓調(diào)節(jié)系數(shù) fA1,fA2,fA4。

式中：fAx（x=1,2,3,4）為小矢量的電壓調(diào)節(jié)系數(shù)；t5為中矢量的作用時(shí)間。

小矢量的時(shí)間調(diào)節(jié)因子r1,r2由電壓調(diào)節(jié)系數(shù)決定。

對(duì)中矢量進(jìn)行虛擬時(shí)，令h2=h3=h4=1/3,即：

2.2 占空比的計(jì)算

以參考矢量經(jīng)過(guò)A1,A2區(qū)域?yàn)槔治?。在A1區(qū)域中，參考矢量由V0,VS1,VS2合成，在A2區(qū)域中，參考矢量由VS1,VS2,VVM合成，為 2個(gè)區(qū)域的過(guò)渡相量。，由式（1）、式（4）、式（5）并結(jié)合伏秒積平衡原理，可求出矢量對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間：可由60°坐標(biāo)系求得；在A2區(qū)域中，參考矢量由VVM,VS1,VS2合成，同樣可求出矢量VVM對(duì)應(yīng)的作用時(shí)間：

上述分析可得到各矢量的作用時(shí)間及占空比。

已知矢量的作用時(shí)間可以求得占空比dxyz（x=p,o,n；y=p,o,n；z=p,o,n）。

式中：dap為a相p狀態(tài)的占空比。

同理，o狀態(tài)，n狀態(tài)的占空比都可求得。

3 損耗的分析

NPC三電平逆變器的主流器件為IGBT與快恢復(fù)二極管。功率器件在逆變器工作時(shí)產(chǎn)生的主要損耗有：通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗以及開(kāi)關(guān)損耗［9］。隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗及通態(tài)損耗成為總功率損耗的主要組成部分。文獻(xiàn)［10-12］研究了器件的損耗及散熱，由于結(jié)溫與損耗的相互影響，在損耗的計(jì)算中必須考慮結(jié)溫。下面以NPC三電平拓?fù)鋯蜗酁槔龑?duì)損耗進(jìn)行分模塊分析，單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 NPC三電平逆變器單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Single-phase topology of three-level NPC inverter

IGBT的損耗主要由兩部分組成：通態(tài)損耗（Pcondtlosses）和開(kāi)關(guān)損耗（Pswlosses）

3.1 開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算與分析

IGBT在開(kāi)通和關(guān)斷的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，快恢復(fù)二極管一般考慮其反向恢復(fù)損耗。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以查得在結(jié)溫25℃，125℃下的主要參數(shù)及部分參數(shù)之間的關(guān)系圖，損耗可由所得參數(shù)計(jì)算，并通過(guò)修正函數(shù)進(jìn)行修正。IGBT的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算如下：

式中：Xon,S,Xoff,S（X=A,B,C）為開(kāi)、關(guān)過(guò)程能量損耗與負(fù)載電流變化關(guān)系曲線的二次擬合系數(shù)；Dsw,S,Ksw,S分別為測(cè)試電壓Ubase、測(cè)試結(jié)溫Tbase（一般為125℃）的修正系數(shù)。Tvj,T為IGBT結(jié)溫。

1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，IGBT的平均開(kāi)關(guān)損耗為

根據(jù)IGBT在1個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的n次開(kāi)關(guān)過(guò)程計(jì)算其開(kāi)關(guān)損耗，即

式中：T為調(diào)制周期。

二極管的反向恢復(fù)損耗計(jì)算如下：

式中：Arec,Di,Brec,Di,Crec,Di分別為二極管開(kāi)關(guān)能量損耗與負(fù)載電流變化關(guān)系曲線的二次擬合系數(shù)；Drec,Di,Krec,Di分別為測(cè)試電壓Ubase、測(cè)試結(jié)溫Tbase（一般為125℃）的修正系數(shù)。Tvj,Di為二極管結(jié)溫。

1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，二極管的平均反向恢復(fù)損耗為

所有器件的功率損耗可根據(jù)上述公式算求得。

3.2 通態(tài)損耗計(jì)算及分析

通態(tài)損耗的產(chǎn)生主要與功率器件初始飽和壓降和導(dǎo)通電阻有關(guān)。將結(jié)溫對(duì)損耗的影響考慮在內(nèi)，功率器件的初始飽和壓降、導(dǎo)通電阻可表示為

式中：V0,Y_25℃,RY_25℃（Y=S或D，S表示IGBT，D表示快恢復(fù)二極管）分別為25℃結(jié)溫下器件的初始飽和導(dǎo)通壓降和等效導(dǎo)通電阻；KV0,Y,KR,Y分別為V0,Y_25℃,RY_25℃的溫度修正系數(shù)；TVj,Y為器件的實(shí)際結(jié)溫。

通過(guò)對(duì)電流的實(shí)時(shí)采樣，規(guī)定電流方向由逆變器流入負(fù)載的方向?yàn)檎?，反之電流方向?yàn)樨?fù)。元器件的通態(tài)損耗計(jì)算如下：

4 仿真與實(shí)驗(yàn)

4.1 仿真分析

采用2種電力電子仿真軟件混合仿真，在PLECS電力電子仿真軟件下搭建了NPC三電平變流器的主電路，在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下搭建了功率器件的驅(qū)動(dòng)電路。該仿真分別對(duì)傳統(tǒng)的VSVPWM以及改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制下系統(tǒng)的損耗以及效率、單個(gè)功率器件的結(jié)溫進(jìn)行了校驗(yàn)分析。

通過(guò)查閱IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得到開(kāi)關(guān)損耗與結(jié)溫的關(guān)系曲線［8］，如圖3所示。

圖3 IKW75N60T的開(kāi)關(guān)損耗與結(jié)溫的關(guān)系Fig.3 Typical switching energy losses as a function of junction temperature of IKW75N60T

結(jié)合圖2，以A相為例，對(duì)不同模塊的損耗進(jìn)行了計(jì)算與比較。表2為損耗以及效率仿真結(jié)果。

表2 調(diào)制方式下系統(tǒng)損耗及效率比較Tab.2 The losses and efficiency comparison of the system under different modulation methods

從表2可以看出，當(dāng)調(diào)制度及功率因數(shù)相同時(shí)，改進(jìn)的VSVPWM總的損耗約為傳統(tǒng)VSVPWM損耗的一半。傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制方式下，通態(tài)損耗占總損耗的29.5%，開(kāi)關(guān)損耗占70.5%；改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制方式下，通態(tài)損耗占總損耗的81.2%，開(kāi)關(guān)損耗占18.8%。同時(shí)，改進(jìn)的VSVPWM效率比傳統(tǒng)的VSVPWM高出了0.2%。由于改進(jìn)的VSVPWM減少了狀態(tài)的切換，因此通態(tài)損耗增大，開(kāi)關(guān)損耗降低。

圖4為在PLECS電力電子仿真軟件下測(cè)得的A相所有功率器件2種調(diào)制方式下的開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗。圖4中，Pswlosses為開(kāi)關(guān)損耗，Pconlosses為導(dǎo)通損耗。通過(guò)圖4可明顯看出，改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制方式下器件的通態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)損耗都明顯減小。對(duì)圖4測(cè)得的數(shù)據(jù)求平均值后，與表2的數(shù)據(jù)基本吻合。

圖4 A相橋臂的開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗Fig.4 Switch losses and conduct losses of phase A

圖5為2種調(diào)制方式下單個(gè)功率器件（S22）結(jié)溫的變化。通過(guò)對(duì)以上結(jié)溫的變化曲線比較可以看出，改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制方式下，單個(gè)功率器件的結(jié)溫低于傳統(tǒng)的VSVPWM。

圖5 不同調(diào)制方式下單個(gè)器件的結(jié)溫Fig.5 Junction temperature of power devices under different control strategies

4.2 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證改進(jìn)的VSVPWM控制策略能夠減小系統(tǒng)損耗，搭建了實(shí)驗(yàn)裝置。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：輸入直流電壓200 V，開(kāi)關(guān)頻率2 000 Hz，直流側(cè)電容1 μF，調(diào)制方式VSVPWM，調(diào)制度0.8，控制芯片DSP+FPGA，功率因數(shù)0.95，IGBT模塊型號(hào)IKW75N60T。

在逆變器運(yùn)行過(guò)程中，功率器件損耗與器件結(jié)溫相互影響，器件損耗的測(cè)量存在一定的難度。由于器件結(jié)溫可以反映損耗的大小，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，使用紅外熱像儀對(duì)功率器件結(jié)溫進(jìn)行測(cè)量，如圖6所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)的VSVPWM調(diào)制方式的結(jié)溫要低于傳統(tǒng)VSVPWM調(diào)制方式，進(jìn)而證明了前者的損耗小于后者。

圖6 不同調(diào)制方式下單相功率器件的結(jié)溫Fig.6 Junction temperature of power devices under different control strategies of one phase

5 結(jié)論

本文分析了二極管鉗位型3電平的虛擬矢量控制策略，并對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗、通態(tài)損耗進(jìn)行了分析與計(jì)算。對(duì)傳統(tǒng)的VSVPWM和改進(jìn)VSVPWM進(jìn)行仿真，得到了2種調(diào)制方式下的損耗波形以及平均值，仿真結(jié)果表明改進(jìn)的VSVPWM要比傳統(tǒng)VSVPWM效率高出將近2%，同時(shí)開(kāi)關(guān)損耗所占的比例明顯降低。在此基礎(chǔ)上，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

［1］Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A New Neutral-point-clamped PWM Inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1981，IA-17（5）：518-523.

［2］宋文祥，陳國(guó)呈，丁肖宇.基于兩類脈寬調(diào)制方式本質(zhì)聯(lián)系的三電平逆變器中點(diǎn)電壓平衡控制的研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（12）：53-58.

［3］Jiang Weidong，Du Shaowu，Chang Liuchen，et al.Hybrid PWM Strategy of SVPWM and VSVPWM for NPC Three-level Voltage-source Inverter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（10）：2607-2619.

［4］范必雙，譚冠政，樊紹勝，等.一種新的基于混合空間矢量調(diào)制的三電平逆變器直流側(cè)電容電壓平衡研究［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（27）：135-141.

［5］Busquets-Monge S，Bordonau J，Boroyevich D，et al.The Nearest Three Virtual Space Vector PWM-A Modulation for the Comprehensive Neutral-point Balancing in the Three-level NPC Tnverter［J］.IEEE Power Electron.Lett.，2004，2（1）：11-15.

［6］陳權(quán)，王群京，鄭常寶.三電平變換器PWM控制通態(tài)損耗分析［J］.電氣傳動(dòng)，2009，39（11）：38-41.

［7］胡存剛，王群京，李國(guó)麗，等.基于虛擬空間矢量的三電平NPC逆變器中點(diǎn)電壓平衡控制方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2009，24（5）：100-107.

［8］Oscar Alonso，Luis Marroyo，Pablo Sanchis，et al.Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation［C］//Industrial Electronics Society，IEEE 2002 28th Annual Conference，2002，2：920-925.

［9］Bierhoff M H，F(xiàn)uchs F W.Semiconductor Losses in Voltage Source and Current Source IGBT Converters Based on Analytical Derivation［C］//PESC2004，Aachen，Germany，2004，4：2836-2842.

［10］王群京，陳權(quán)，姜衛(wèi)東，等.一種降低三電平逆變器開(kāi)關(guān)損耗的PWM方法［J］.電氣傳動(dòng)，2007，37（3）：26-29.

［11］蔡紅軍，唐圣學(xué)，張曉沖，等.NPC三電平逆變器損耗計(jì)算及均衡控制算法［J］.電力電子技術(shù)，2015，49（4）：10-14.

［12］景巍，譚國(guó)俊，葉宗彬.大功率三電平變頻器損耗計(jì)算及散熱分析［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（02）：134-140.

［13］IKW75N60T，Infineon Technologies，IGBT Datasheet，May.2006.［0nline］Available：http：//www.infineon.com.

Analysis of Losses in Three-level Neutral Point Clamped Inverter Based on Improved Virtual Space Vector Algorithm

SONG Min1，2，CHEN Quan1，3，LI Guoli2，3，HU Cungang2，3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China；2.National Engineering Laboratory of Energy-saving Motor&Control Technology，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China；3.Power Quality Engineering Research Center of China Ministry，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China）

The traditional virtual space vector algorithm achieves the balance of the neutral-point potential complete control over full ranges，but it increases the switching frequency of devices，and the device junction temperature is rised because of the increasing loss of the system.Based on the questions occured，an improved virtual space vector algorithm was proposed，assigned the action time of redundancy small vectors more precise，and ensured a smooth transition of output state during the switch，which not only made the fluctuation of neutral-point voltage small，but also got lower losses and higher system efficiency than the traditional virtual space vector modulation.Simulation and experimental results verify the correctness and validity of the algorithm.

virtual space vector；neutral-point voltage；junction temperature；losses

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161006

2015-09-02

修改稿日期：2016-03-17

安徽省自然科學(xué)基金（1308085ME81）；安徽省高校自然基金（KJ2013A011）

宋敏（1990-），女，碩士研究生，Email：Smin67@163.com