T型三電平與二極管箝位型三電平導(dǎo)通損耗的對比

楊 超，劉 躍

(貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

0 引言

電力電子技術(shù)自20世紀(jì)50年代產(chǎn)生以來，經(jīng)過大約半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，電力電子裝置已經(jīng)應(yīng)用到了生產(chǎn)和生活的各個(gè)領(lǐng)域之中。自從上世紀(jì)80年代多電平逆變器的概念提出以后，迅速引起了世界各國學(xué)者和研發(fā)公司的注意［1］。經(jīng)過不斷的探索和實(shí)踐，時(shí)至今日，多電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)是中高壓，大功率領(lǐng)域內(nèi)主回路的主要選擇，其中從功能和實(shí)用的角度出發(fā)，選擇較多的結(jié)構(gòu)是由南波長江在1980年提出二極管鉗位三電平(NPC)和近幾年開發(fā)的 T型三電平，兩者的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示［2-6］。

NPC和T型三電平在平時(shí)的工作中產(chǎn)生的損耗主要由三部分構(gòu)成:開通損耗、關(guān)斷損耗和導(dǎo)通損耗。如果對器件開關(guān)特性進(jìn)行優(yōu)化，那么開通關(guān)斷損耗占的比例就會大大減小，導(dǎo)通損耗就會成為主要的功率損耗源。因此，有必要對兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗進(jìn)行討論和比較。

圖1 兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

1 兩種拓?fù)涞钠骷ぷ髑闆r分析

要想對兩種拓?fù)涞膶?dǎo)通損耗進(jìn)行計(jì)算，首先要對兩種拓?fù)涞墓ぷ髑闆r進(jìn)行充分的了解。下面將對兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況進(jìn)行分析［7］。

1.1 NPC結(jié)構(gòu)工作情況分析

NPC結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定工作時(shí)有三種運(yùn)行狀態(tài)，分別對應(yīng)的輸出電壓為+E/2，0，-E/2，將其標(biāo)記為1，0和-1狀態(tài)。其運(yùn)行狀態(tài)如圖2所示。

圖2 NPC工作情況示意圖

從圖中可以看出NPC在運(yùn)行過程中開關(guān)信號遵循Sa1和Sa3信號互補(bǔ)，Sa2和Sa4信號互補(bǔ)，上橋臂和下橋臂的開關(guān)管不能同時(shí)開通的原則，開關(guān)組合不存在冗余。

1.2 T型結(jié)構(gòu)的工作情況分析

T型結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過程中也有三種狀態(tài)，輸出電壓分別為 +E/2，0，-E/2，將其標(biāo)記為1，0和 -1狀態(tài)。但是其開關(guān)狀態(tài)可以有兩種形式。

方法一:在輸出電壓為+E/2時(shí)只開通Ta1管，其他開關(guān)管關(guān)閉;在輸出電壓為0時(shí)開通Ta2和Ta3管，其他開關(guān)管關(guān)閉;在輸出電壓為-E/2時(shí)只開通Ta4管，其他開關(guān)管關(guān)閉。其工作狀況如圖3所示。

圖3 采用方法一時(shí)T型結(jié)構(gòu)的工作示意圖

從圖3中我們不難看出，方法一雖然表面上看似可行，但是這種方法在狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)候Ta3和Ta4管的開關(guān)順序是由電流方向所決定的。例如由1狀態(tài)向0狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)，假設(shè)電流方向?yàn)榱鞒龇较?，在關(guān)閉Ta1管的同時(shí)必須先開通Ta2管，然后再開通Ta3管;當(dāng)電流方向?yàn)榱魅敕较驎r(shí)，在關(guān)閉Ta1管的同時(shí)必須先開通Ta3管，然后再開通Ta2管。因此對信號的控制比較復(fù)雜，通常情況下都不采用這種方法。

方法二:采用類似于NPC的控制方法。開關(guān)信號遵循Ta1和Ta3信號互補(bǔ)，Ta2和Ta4信號互補(bǔ)，上橋臂和下橋臂的開關(guān)管不能同時(shí)開通的原則，開關(guān)組合不存在冗余。其工作狀況如圖4所示。

圖4 采用方法二時(shí)T型結(jié)構(gòu)的工作示意圖

從圖4當(dāng)中可以看出采用Ta1，Ta3互補(bǔ)，Ta2，Ta4互補(bǔ)有兩個(gè)好處:一是形成互補(bǔ)關(guān)系在控制比較方便;二是能夠防止在輸出電平狀態(tài)之間切換的時(shí)候，開關(guān)器件的不正常開啟引起直流電容短路。例如輸出狀態(tài)為1時(shí)，Ta1開通的同時(shí)Ta3要是提前開通，將會引起上直流電容短路。

從圖3和圖4中我們可以將NPC和T型拓?fù)涔ぷ鲿r(shí)的開關(guān)狀態(tài)總結(jié)如表1所示。

表1 NPC與T型拓?fù)溟_關(guān)狀態(tài)表

在以上分析的基礎(chǔ)上，對兩種拓?fù)溥M(jìn)行仿真，仿真參數(shù)參照實(shí)驗(yàn)室7.5 kW的三電平逆變器，如表2所示。

表2 NPC與T型拓?fù)浞抡鎱?shù)設(shè)置表

理想情況下，在直流母線電容，直流母線電容和負(fù)載都相同時(shí)，采用相同的控制策略，雖然兩者的結(jié)構(gòu)不同，但是輸出電流是相同的。也就是說在直流母線電容，直流母線電容和負(fù)載都相同時(shí)，在同一時(shí)刻，在電流通路上的IGBT上的電流是同樣大小的。

2 導(dǎo)通損耗計(jì)算

2.1 器件導(dǎo)通情況分析

在進(jìn)行導(dǎo)通損耗計(jì)算之前，我們首先需要對兩種拓?fù)涞钠骷?dǎo)通情況進(jìn)行分析。在前面的分析當(dāng)中我們已經(jīng)得到在直流母線電容，直流母線電容和負(fù)載都相同且采用相同的控制策略時(shí)，雖然兩者的結(jié)構(gòu)不同，但是輸出電流是相同的結(jié)論。在這個(gè)結(jié)論下，我們可以畫出兩種拓?fù)湔{(diào)制電壓u(t)和輸出電流i(t)的關(guān)系曲線，如圖5所示，其中θ代表u(t)與i(t)之間的相位差。

在圖5當(dāng)中我們可以看到，在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，調(diào)制電壓與輸出電流的關(guān)系可以分為四個(gè)部分:(一)u(t)＞0，i(t)＜0;(二)u(t)＞0，i(t)＞0;(三)u(t)＜0，i(t)＞0;(四)u(t)＜0，i(t)＜0。由于u(t)和i(t)正負(fù)半波的對稱性，我們只需要對(一)和(二)兩個(gè)部分進(jìn)行分析即可。在此需要說明的是在下面的分析過程中只對導(dǎo)通損耗進(jìn)行分析，忽略了開關(guān)器件的開關(guān)損耗。

2.1.1 NPC結(jié)構(gòu)器件導(dǎo)通情況分析

在調(diào)制電壓u(t)大于0時(shí)，NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況分別如圖6，圖7所示。

圖5 兩種結(jié)構(gòu)在相同參數(shù)設(shè)置的條件下的輸出電流與調(diào)制電壓關(guān)系示意圖

圖6 當(dāng)i(t)＜0時(shí)，NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況

從圖6和圖7可以看出:在i(t)＜0時(shí)，輸出狀態(tài)為1時(shí)導(dǎo)通的器件D1和D2，輸出狀態(tài)為0時(shí)，導(dǎo)通的器件為Sa3和D6;在i(t)＞0時(shí)，輸出狀態(tài)為1時(shí)導(dǎo)通的器件Sa1和Sa2，輸出狀態(tài)為0時(shí)，導(dǎo)通的器件為Sa2和D5。

2.1.2 T型結(jié)構(gòu)器件導(dǎo)通情況分析

在調(diào)制電壓u(t)大于0時(shí)，NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況分別如圖8，圖9所示。

從圖8和圖9可以看出:在i(t)＜0時(shí)，輸出狀態(tài)為1時(shí)導(dǎo)通的器件TD1，輸出狀態(tài)為0時(shí)，導(dǎo)通的器件為Ta3和TD2;在i(t)＞0時(shí)，輸出狀態(tài)為1時(shí)導(dǎo)通的器件Ta1，輸出狀態(tài)為0時(shí)，導(dǎo)通的器件為Ta2 和 TD3。

圖7 當(dāng)i(t)＞0時(shí)，NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況

圖8 當(dāng)i(t)＜0時(shí)，T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況

圖9 當(dāng)i(t)＞0時(shí)，T型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作情況

根據(jù)上面的分析，將NPC和T型結(jié)構(gòu)在u(t)＞0時(shí)的開關(guān)器件的導(dǎo)通狀況總結(jié)在下面的表格之中。

表3 NPC與T型拓?fù)淦骷?dǎo)通情況表

2.2 導(dǎo)通損耗計(jì)算公式的推導(dǎo)

在多電平逆變器的應(yīng)用中，最常用的開關(guān)器件是IGBT和快速恢復(fù)二極管(FWD)。它們的靜態(tài)特性曲線都可以在廠家的產(chǎn)品手冊中直接查到。在IGBT和FWD的靜態(tài)特性曲線中，Ic和Vce的關(guān)系都不是一次曲線，但是在實(shí)際的計(jì)算過程中，我們通常將其視為一次曲線來進(jìn)行計(jì)算，其示意圖如圖10所示。

圖10 導(dǎo)通損耗近似計(jì)算原理圖

其中，Vds表示IGBT或者FWD的導(dǎo)通閥值，通常情況下取0.6 V，Vce(sat)表示集電極—發(fā)射極飽和電壓，Ice(sat)表示當(dāng)Vce等于Vce(sat)時(shí)IGBT上流過的電流，VF1表示FWD的正向電壓，表示當(dāng)VF等于VF1時(shí)FWD的正向電流。以上這些參數(shù)均可在產(chǎn)品手冊上找到。

根據(jù)計(jì)算原理圖，將IGBT的靜態(tài)特性定義為下面的形式:

同樣，F(xiàn)WD的靜態(tài)特性也可以定義為下面的形式:

以IGBT為例，在載波頻率趨于無窮大時(shí)，設(shè)負(fù)載電流為i(t)=Imsin(ωt+θ)，則該管的導(dǎo)通損耗E為:

式中τ為占空比，T為調(diào)制周期時(shí)間。

3 兩種結(jié)構(gòu)導(dǎo)通損耗的比較

從前面的分析可以看出在器件選定的情況下，兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗與調(diào)制比M，輸出功率因數(shù)角θ和輸出電流Im有關(guān)。為了更深入地對兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗進(jìn)行對比，下面將在不同的工作條件下對兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗進(jìn)行分析。在仿真中為保證兩種結(jié)構(gòu)在器件使用上的公平性，假設(shè)兩種結(jié)構(gòu)都采用分立器件進(jìn)行搭建，其中T型結(jié)構(gòu)的Ta1和Ta2采用三菱公司的1200V/600A的管子，型號為CM600HU-24F，其余管子均采用三菱公司的600V/600A的管子，型號為CM600HU-12F。

(1)調(diào)制比對導(dǎo)通損耗的影響

圖11是在功率因素角θ為π/3，電流Im為300 A時(shí)兩種結(jié)構(gòu)隨著調(diào)制比增大導(dǎo)通損耗的變化情況。從圖中可以看出T型結(jié)構(gòu)和NPC結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗與調(diào)制比M成反比，而T型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗比NPC結(jié)構(gòu)小。

圖11 不同的調(diào)制下兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗變化情況

(2)功率因數(shù)角對導(dǎo)通損耗的影響

圖12是在調(diào)制比M為0.8，電流Im為300 A時(shí)兩種結(jié)構(gòu)隨著功率因素角θ增大導(dǎo)通損耗的變化情況。從圖中可以看出T型結(jié)構(gòu)和NPC結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗隨著功率因素θ的增加而增加，T型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗比NPC結(jié)構(gòu)的損耗要小。

圖12 不同的功率因數(shù)角下兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗變化情況

(3)輸出電流對導(dǎo)通損耗的影響

圖13是在調(diào)制比M為0.8，功率因素角θ為π/3時(shí)兩種結(jié)構(gòu)隨著輸出電流Im增大導(dǎo)通損耗的變化情況。從圖中可以看出T型結(jié)構(gòu)和NPC結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗隨著Im的增加而增加，T型結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗比NPC結(jié)構(gòu)的損耗要小。

圖13 不同的輸出電流下兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗變化情況

4 小結(jié)

本文對NPC結(jié)構(gòu)和T型結(jié)構(gòu)的工作原理進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上得到兩者的調(diào)制電壓和輸出電流的關(guān)系，從而推導(dǎo)出兩種結(jié)構(gòu)的開關(guān)器件的導(dǎo)通損耗計(jì)算公式，最后給出了在不同的工作條件下兩種結(jié)構(gòu)的導(dǎo)通損耗變化情況。

［1］ Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A new neutral-point-clamped PWM inverter［J］.Industry Applications，IEEE Transactions on，1981(5):518-523

［2］ Fujii K，Kikuchi T，Koubayashi H，et al.1-MW advanced T-type NPC converters for solar power generation system［C］//Power Electronics and Applications(EPE)，2013 15th European Conference on.IEEE，2013:1-10

［3］ Yatsu M，F(xiàn)ujii K，Takizawa S，et al.A study of high efficiency UPS using advanced three-level topology［C］//PCIM Europe Conference.2010

［4］ Schweizer M，Kolar J W.High efficiency drive system with 3-level T-type inverter［C］//Proceedings of the 14th European Conference on Power Electronics and Applications-ECCE Europe.2011

［5］ Salem A，De Belie F，Darba A，et al.Evaluation of a dual-T-type converter supplying an open-end winding induction machine［C］//Industrial Electronics Society，IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE.IEEE，2013:749-754

［6］ Zhang L，Sun K，Huang L，et al.Comparison of RBIGBT and normal IGBT in T-type three-level inverter［C］//Power Electronics and Applications(EPE)，2013 15th European Conference on.IEEE，2013:1-7

［7］ 童鳴庭.三相 T型三電平非隔離并網(wǎng)逆變器的研究［D］.合肥工業(yè)大學(xué)，2013

［8］ 李永東，肖曦，高躍.大容量多電平變換器:原理，控制，應(yīng)用［M］.科學(xué)出版社，2005