NPC三電平逆變器PWM時(shí)降低損耗的研究

摘要：在大功率應(yīng)用場(chǎng)合中，逆變器開關(guān)器件的損耗問題一直是制約其性能提高的因素之一。其損耗可分為通態(tài)損耗和開關(guān)損耗。討論了這兩種損耗的計(jì)算方法，并提出一種降低開關(guān)損耗的PWM方法，即SLMPWM。給出了調(diào)制度和功率因數(shù)角變化時(shí)，傳統(tǒng)SPWM和SLMPWM策略的損耗分布區(qū)面?？梢?，在很大范圍內(nèi)，PWM策略能將開關(guān)損耗降低約一半。最后，給出了這兩種調(diào)制策略諧波特性的比較，可見，SLMPWM調(diào)制策略的諧波特性與SPWM基本一致，不會(huì)由于等效開關(guān)次數(shù)降低而導(dǎo)致諧波特性變差。
關(guān)鍵詞：逆變器；脈寬調(diào)制；諧波

1 引言
自多電平電路拓?fù)涿媸酪詠硪阎饾u成為解決高壓大容量電能變換最有效的方案。多電平(包括三電平)結(jié)構(gòu)已在如高壓(中壓)交流電機(jī)傳動(dòng)、FACTS、電網(wǎng)質(zhì)量管理和電網(wǎng)無功補(bǔ)償和吸收等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在三電平變流器中應(yīng)用的主流器件是大功率、高壓電力電子器件(例如IGCT或HVIGBT)及快恢復(fù)二極管，它們?cè)谧儞Q器工作時(shí)要產(chǎn)生通態(tài)損耗、斷態(tài)損耗和開關(guān)損耗，其中開關(guān)損耗是器件損耗的主要部分。
多電平逆變器的特點(diǎn)之一是半導(dǎo)體器件相對(duì)較多，在對(duì)多電平通態(tài)損耗的研究中，文獻(xiàn)提出混合四電平拓?fù)涔β蕮p耗計(jì)算，文獻(xiàn)對(duì)級(jí)
聯(lián)式多電平通態(tài)損耗進(jìn)行了研究，該方法可用在假設(shè)輸出電流為正弦波情況下，調(diào)制算法具有確定關(guān)系式的通態(tài)損耗計(jì)算。
這里提出一種能夠有效降低開關(guān)損耗的調(diào)制方法。該方法對(duì)于通態(tài)損耗影響不大，但能將開關(guān)損耗降低一半左右。分析比較傳統(tǒng)SPWM算法與改進(jìn)調(diào)制方法的諧波特性，得出兩者諧波特性基本一致，故改進(jìn)算法能在保持SPWM諧波特性的基礎(chǔ)上，有效地降低NPC三電平逆變器的損耗。

2 逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及PWM原理
圖1示出NPC三電平電壓源逆變器的主電路拓?fù)洹ｉ_關(guān)器件選擇5SHZ08F6000型IGCT，相配套的快恢復(fù)二極管FRD選擇5SHZ08F6004。逆變器每相有4個(gè)帶有反并續(xù)流二極管的功率管和2個(gè)箝位二極管。當(dāng)VS1，VS2或VD1，VD2導(dǎo)通時(shí)，輸出Udc，記作1電平；當(dāng)VDc1，VS2或VDc2，VS3導(dǎo)通時(shí)，輸出電平零，記作0電平；當(dāng)VS3，VS4或VD3，VD4導(dǎo)通時(shí)，輸出-Udc，記作-1電平。

NPC三電平逆變器的調(diào)制方法，較多采用基于載波的PWM(SPWM)方法和空間電壓矢量調(diào)制(SVPWM)方法。已有文獻(xiàn)證明，通過合理注入零序電壓，SPWM與SVPWM存在等效關(guān)系，因此對(duì)于SVPWM相關(guān)問題的分析可通過構(gòu)造等效的SPWM載波信號(hào)來獲得。
當(dāng)逆變器的調(diào)制波為標(biāo)準(zhǔn)三相正弦交流信號(hào)時(shí)，相電壓峰值為Um，定義逆變器的調(diào)制度m=πUm／(4Udc)，SPWM的m最大值為0．785，而SVPWM的m最大值為0．907。按采樣周期內(nèi)調(diào)制波uk和ik的符號(hào)(規(guī)定電流由逆變器流向負(fù)載的方向?yàn)檎?，可將導(dǎo)通和換流分為4種模式，如圖2所示。

當(dāng)uk>0，ik>0時(shí)，這種導(dǎo)通與換流模式記為模式1。采樣周期內(nèi)電平將會(huì)在1和0電平之間切換，如圖2a所示。輸出1電平時(shí)間k,1=ukTs ／Udc，此時(shí)VS1，VS2導(dǎo)通，輸出0電平時(shí)間tk,0=(1-uk／Udc)Ts，此時(shí)VDc1，VS2導(dǎo)通。參與導(dǎo)通的器件為VS1，VS2，VDc1，而開關(guān)動(dòng)作的器件為VS1，VDc2。