T型三电平与二极管箝位型三电平导通损耗的对比.pdfVIP

自 动 控 制 l 2 0 1 5 年 第 2 期A u to c o n tr o l l 一 T型 三 电平 与二极 管箝位型 三 电平导通损耗 的对 比 杨超 ， 刘 跃 ( 贵州大学 电气工程 学院， 贵州 贵 阳5 5 0 0 2 5 ) 摘 要 ： 电力电子技 术 自2 0世 纪 5 0年代产 生以来 ， 经过 大约半个世 纪的发展 ， 电力电子装 置 已经应 用到 了生产和 生活的各个领域之中， 近年来 T型三电平在高压大容量电力电子系统 中得到 了广泛的应用。分析 了T型三电平逆 变器的结构和工作原理， 并在此基础上通过进一步对二极管箝位型三电平逆变器， 传统 T型结构的导通损耗进行 了 分析和对比， 最后推导出两者导通损耗的计算公式， 计算二者在不同条件下的导通损耗， 总结出两种结构的导通损 耗 的特点。 关键词： T型三电平逆变器 二极管箝位型三电平逆变器 导通损耗 中图分 类号 ： T M 4 6 4 文献标识 码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 26 8 8 6 ( 2 0 1 5 ) 0 20 0 6 1 0 6 Th e co n t r a s t o f co n d u ct io n d is s ip a t io n o f Tt y p e 3 - le v e l inv e r t e r a n d di od e -cla m p e d 3 - le ve l in v e r t e r YANG Chao，LI U Yue Ab s t r a ct ：B a s e d o n t h e a n a ly s is o f t h e s t r u ct u r e a n d o p e r a t in g p r in cip le o f T t y p e 3 一le v e l in v e r t e r ，t h is p a p e r ma k e s a co n t r a s t o f t h e co n d u ct io n d is s ip a t io n b e t w e e n d io d e cla mp e d 3一le v e l in v e r t e r a n d co n v e n t io n a l T t y p e in v e r t e r 。e lici ri ng a co mp ut a t io na l f o r mu la t o ca lcu la t e e a ch o t he r s co nd u ct io n dis s ipa t io n un de r d if f e r e nt co n dit io n s At la s t ，t he pa pe r s u mma ri z e s t h e cha r a ct e ri s t ics o f co nd uct io n lo s s o f t he t wo d i r e nt s t r uct u r e s Ke y wo r d s ：3 le v e l T - t y p e in v e r t e r ；d io d e cla mp e d 3 le v e l in v e r t e r ；co n d u ct io n d is s ip a t io n 0 引言 电力电子技术 自2 0世纪 5 O年代产生 以来 ， 经 过大约半个世纪的发展 ， 电力电子装置已经应用 到 了生产和生活 的各个领域之 中。 自从上世纪 8 0年 代多电平逆变器的概念提 出以后 ， 迅 速引起 了世界 各 国学 者和研发公 司的注意_ l J 。经过不 断 的探索 和实践 ， 时至今 日， 多 电平变换器拓扑结构 已经是 中 高压 ， 大功率领域 内主回路 的主要选择 ， 其 中从功能 和实用 的角度 出发 ， 选择较多的结构是 由南 波长江 在 1 9 8 0年提出二极管钳位三电平 ( N P C ) 和近几年 开发 的 T型 三 电平 ， 两者 的拓 扑 结 构 如 图 1所 示 - 6 。 N P C和 T型三 电平在平 时的工作 中产生 的损 耗主要由三部分构成 ： 开通损耗、 关断损耗和导通损 耗 。如果对器件开关 特性进行优化 ， 那 么开通关 断 损耗占的比例就会大大减小 ， 导通损耗就会成 为主 要的功率损耗源 。因此 ， 有必要对两种结构 的导通 损耗进行讨论和比较 。 一 E醛 ( a ) 二极 管钳位 三电平结构示意图 ( b ) T型三电平结构示意图 图 1 两种拓扑结构示意 图 1 两种拓扑的器件工作情况分析 要想对两种拓扑的导通损耗进行计算 ， 首先要 对两种拓扑 的工作情况进行充分的了解。下面将对 两种拓扑结构的工作情况进行分析 。 61 观 弋 积。 I M o d e r n 馏 珂 1 1 NP C结构工作情况分析 N P C结构在稳定工作 时有三种运行状态 ， 分别 对应的输出电压为 +E 2 ， 0 ， 一E 2 ， 将其标记为 1 ， 0 和 一1 状态。其运行状态如图 2所示。 E E E ( e ) 0= 一E 2 图 2 N P C工作情况示意 图 从图中可 以看 出 N P C在运行过程 中开关信号 遵循 S a l 和 S a 3信号互补 ， S a 2和 S a 4信号互补 ， 上 桥臂和下桥臂的开关管不能同时开通 的原则 ， 开关 组合不存在冗余 。 1 2 T型结构的工作情况分析 T型结构在运行过程中也有三种状态 ， 输 出电 压分别为 +E 2， 0 ， 一 E 2 ， 将其标记为 1 ， 0和 一1状 态。但是其开关状态可以有两种形式。 方法一 ： 在输 出电压为 +E 2时只开通 T a l 管 ， 其他 开关管关 闭 ； 在输 出 电压 为 0时开通 T a 2和 T a 3管 ， 其他开关管关闭 ； 在输出电压为 一E 2时只 开通 T a 4管， 其他开关管关 闭。其工作状况如图 3 所示 。 E E E ( C ) U a o=一E 2 图 3 采用方法一时 T型结构的工作示意 图 从图 3中我们不难看 出， 方法一虽然表 面上看 似可行 ， 但是 这种方 法在状 态转换 的时候 T a 3和 T a 4管 的开关顺序是 由电流方 向所决定 的。例如 由 1 状态向0状态转换时 ， 假设电流方 向为流 出方 向， 在关 闭 T a l 管 的同时必须先开通 T a 2管 ， 然后再开 通 T a 3管； 当电流方 向为流人方向时 ， 在关闭 T a l 管 的同时必须先开通 T a 3管， 然后再开通 T a 2管。因 此对信号的控制 比较 复杂 ， 通 常情况下都 不采用这 种方法。 方法二 ： 采用类似于 N P C的控制方法。开关信 号遵循 T a l 和 T a 3信号互补 ， T a 2和 T a 4信号互补 ， 上桥臂和下桥臂的开关管不能 同时开通 的原则 ， 开 关组合不存在冗余 。其工作状况如图 4所示 。 E E E ( c ) U A 0=一E 2 图 4采用方法二时 T型结构的工作 示意图 从 图 4当中可 以看 出采用 T a l ， T a 3互补 ， T a 2， T a 4互补有两个好处 ： 一是形成互补关系在 控制 比 较方便 ； 二是能够防止在输 出电平状态之间切换的 时候 ， 开关器件 的不 正常开启 引起直 流电容短路 。 例如输出状态为 1时， T a l 开通 的同时 T a 3要 是提 前开通 ， 将会引起上直流 电容短路 。 从图 3和 图 4中我们可 以将 N P C和 T型拓扑 工作时的开关状态总结如表 1 所示。 表 1 N P C与 T型拓扑开关状态 表 自 动 控 制 I 2 0 1 5 年 第 2 期A u to c o n tr o l l ” 在以上分析 的基础上 ， 对两种拓扑进行仿真 ， 仿 真参数参照实验室 7 5 k W 的三电平逆变器 ， 如表 2 所 示 。 表 2 NP C与 T型拓扑仿真参数设 置表 直流母线 电容 直流母线 电压 负载 电流 负载大小 输 出频率 开关频 率 理想情况下 ， 在直流母线电容， 直流母线电容和 负载都相同时 ， 采用相同的控制策略 ， 虽然两者 的结 构不同， 但是输 出电流是相同的。也就是说在直流 母线电容 ， 直流母线电容和负载都相同时， 在同一时 刻， 在电流通路上的 I G B T上的电流是同样大小的。 2 导通损耗计算 2 1 器件导通情况分析 在进行导通损耗计算之前 ， 我们首先需 要对两 种拓扑的器件导通情况进行分析 。在前面的分析当 中我们 已经得到在直流母线 电容 ， 直流母 线电容和 负载都相同且采用相 同的控制策略时 ， 虽然两者的 结构不 同， 但是输 出电流是相同的结论 。在这个结 论下 ， 我们可以画出两种拓扑调制 电压 u ( t ) 和输 出 电流 i( ) 的关系曲线 ， 如图 5所示 ， 其 中 0代表M ( t ) 与 i( t ) 之间的相位差。 在 图5当中我们可以看到 ， 在一个调制周期 内， 调制电压与 输 出电流 的关 系可 以分为 四个 部分 ： ( 一) “ ( t )0， i( t )0， i( t )0 ； ( 三) M ( t )0 ； ( 四) Z ( t ) 0时的开关器 件 的导通状 况总结 在下 面 的表格 之 中。 表 3 NP C与 T型拓扑器件导通情 况表 2 2 导通损耗计算公式的推导 在多 电平逆变器 的应用 中， 最常用 的开关器件 是 I G B T和快速恢复二极管( F WD) 。它们 的静态特 性 曲线都可 以在厂家 的产品手册 中直接查 到。在 I G B T和 F WD的静态特性 曲线 中， 和 的关 系都 不是一次 曲线 ， 但是在实际的计算过程 中， 我们通常 将其视为一次曲线来进行计算 ， 其示意 图如 图 1 0所 示 。 图 1 0 导通损 耗近似计算原理 图 其 中 ， 表示 I G B T或者 F WD的导通 阀值 ， 通 常情况下取 0 6 V， V c 表示集 电极一发射极饱和 电压 ， 小 表示 当 等 于 ( 时 I G B T上流过的 电流 ， 。 表示 F WD的正向电压 ， 表示当 等 于 。 自 动 控 韦 IJ l 2 0 1 5 年 第 2 期A u to c o n tr o l _ 时 F WD的正向电流 。以上这些参数均可在 产品手 册上找到。 根据计算原理 图， 将 I G B T的静态特 性定义 为 下面的形式 ： ： + ( 1 ) cf s a t ) 同样 ， F WD的静态特性也可以定义为下面的形 式 ： ： + ( 2 ) F1 以 I G B T为例， 在载波频率趋于无穷大时， 设负载 电流为 i( t ) = I m s i n ( o t + 0 ) ， 则该管的导通损耗 E为： E= l z s i n ( go t + 0 )l 丁 T ( 3 ) 式中 为 占空 比， 为调制周期时间。 3 两种结构导通 损耗的 比较 从前面的分析可以看 出在器件选定 的情 况下 ， 两种结构的导通损耗与调制 比 ， 输 出功率因数角 0 和输出电流 ， 有关。为 了更 深入地对两种结构 的导通损耗进行对 比， 下面将在不 同的工作条件下 对两种结构的导通损耗进行分析。在仿真中为保证 两种结构在器件使用上 的公平性 ， 假设两种结构都 采用分立 器件进 行搭建 ， 其 中 T型结构 的 T a l 和 T a 2采用 三菱公 司的 1 2 0 0 V 6 0 0 A的管子 ， 型号 为 C M6 0 0 H U一2 4 F ， 其 余 管 子 均 采 用 三 菱 公 司 的 6 0 0 V 6 0 0 A的管子 ， 型号为 C M6 0 0 HU一1 2 F 。 ( 1 ) 调制 比对导通损耗的影响 图 1 1 是在功率因素角 0为 ,r r 3 ， 电流 ， 为 3 0 0 A时两种结构 随着调 制 比增大导 通损耗 的变化情 况。从图中可以看出 T型结构和 N P C结构的导通 损耗与调制比 成反 比， 而 T型结构的导通损耗 比 N P C结构 小 。 4 6 0 4 4 O 4 2 0 鎏 40 0 囊 ； 3 4 o 3 2 0 图 1 1 不 同的调制下两种结构 的导通 损耗 变化 情况 6 5 观岁 弋 嬲枇 I 嚣 n e 眄 ( 2 ) 功率 因数角对导通损耗的影响 图 l2是在调制 比 M 为 0 8 ， 电流 ， m为 3 0 0 A 种结构随着功率因素角 增大导通损耗的变化 情况。从图中可以看出 T型结构和 N P C结构的 通损耗随着功率 因素 0的增加而增加 ，T型结构 的 导通损耗 比 N P C结构的损耗要小 功率因数角， r a d 图 1 2 不同的功率因数 角下两种 结构 的导通损耗变化情 况 ( 3 ) 输 出电流对导通损耗的影响 图 1 3是在调制 比 M 为 0 8 ， 功率因素角 为 w 3 日 寸 两 种 结 构 随 着 输 出 电 流 ， m 增 大 导 通 损 耗 的 变 化 情 况 。从图中可以看出 T型结构和 N P C结构 通损耗随着 ， m的增加而增加 ，T型结构的导 蹇 蚕 西 文对 N P C结构和 T型结构 的工作原理进行 ，在此基础上得 到两者的调制 电压和输 蚕 ，从 而 推 导 出 两 种 结 构 的 开 关 器 件 的 导 损 耗 计 算 公 式 ，最后给出了在不同的工作条件下 6 6 种结构的导通损耗变化情况 。 参考 文献 1 N a b a e A，T a k a h a s h i I ，A k a g i HA n e w n e u f r a 1 一p 0 j n 一 。 l m p 。 d P wM i n v e r t e r J I n d u s t r y A p p l i ca l j o n s I EEE Tr a n s a ct i0 n s 0 n ，1 9 8 1( 5 ) ： 5 1 8 5 2 3 l2 F u j i i K，K i k u ch i T ，K o u b a y a s h i H，e t a I 1一 Mw a d V a n ce d T_。y p e NP C co tlv e rt e t 8 f o r s o l a r p o we r g e n e r a t io n y 。 m 【C P o w e r E le ct r o n i cs a n d A p p li ca t io n s ( E P E ) ，2 0 1 3 1 5 t h E u r o p e a n C r e n ce 0 n I E E E 2 01 3：11 0 【 3 Y a s u M， F u j ii K，T a k i z a w a S ，e t a 1 A s t u d y o f h i g h e f _ 。 “ c y uPS us in g a d v a n ce d t hr e e le v e l t o p o 1 o g y c P C I M E u r o p e C o n f e r e n ce 2 0 1 0 4 3 s h w e j z e r M，K 。 l a r J w Hi g h e f ficie n cy d r i v e s y s f e m w i t h 3一le v e l Tt y p e i n v e r t e r C P r 0 ce e d i n g s o f t h e 1 4t h E“ r 。 pe a n Co n f e r e n ce o n P0 we r E1 e ct r 0 n ics a n d AD p lica t io n sE CC E Eu 叩 e 2 Ol 1 l5 J S a le m