两电平三相逆变器效率对比分析

第 10 卷 第 3 期2010 年 9 月上 海 应 用 技 术 学 院 学 报 ( 自 然 科 学 版 )JOU RNA L OF SHANGH AI INST ITU T E OF T ECH NOLOGY( N ATU RAL SCIEN CE)Vol. 10 No. 3Sep. 2010收稿日期 : 2010- 08- 20基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( 50707017) ; 上海市教委重点学科项目 ( J50602) ; 上海海事大学研究生创新基金 ( yc2009101)作者简介 : 叶银忠 ( 1964- ) , 男 , 教授 , 博士生导师 , 主要研究方向为控制理论与控制工程及电气工程自动化 .文章编号 : 1671- 7333(2010) 03- 0169- 06两电平三相逆变器效率对比分析叶银忠 1 , 耿 攀 2 , 吴卫民 2 , 刘以建 2(1. 上海应用技术学院 电气与电子 工程学院 , 上海 200235; 2. 上海海事大学 电 力传动与控制研究所 , 上海 200135)摘要 : 对传统的两电平三相逆变器系统效率进行了分析 。 对电路在 SPWM 、 准最优 SVPWM 、 开关损耗最小 SVPWM 三种调制方式下各部分的损耗计算方法做了详细分析 , 并对系统效率和损耗分布进行了对比 。 以一种当前主流器件为例设计了 10 kW/ 380 V 的逆变器系统 , 给出了系统在不同调制方式下效率和各部分损耗所占比例 , 并将理论分析结果与实验结果进行了对比 。关键词 : 两电平 ; 三相逆变器 ; SPWM ; SVPWM ; 效率中图分类号 : TM 85 文献标识码 : AEfficiency Comparison of Two levelThree Phase DC/ AC InverterYE Yin zhong 1 , GENG Pan 2, WU Wei m in 2, LIU Yi jia n 2( 1. School of Electric and Electro n Enginee ring, Shanghai Institute of T echnolo gy, Shanghai 200235, China;2. T he Research Institute of Elec tronic Automatio n of Shanghai Maritime University, Shanghai 200135, China)Abstract : T he system efficiency is analyzed in detail for traditional two level three phase inverter. Thepower loss calculation methods under SPWM, standard optimization SVPWM and minimum switchingpower losses SVPWM are revealed. The system efficiency and power loss distribution are compared.Taking a 10 kW/ 380 V inverter system as an example, the system efficiency and the power loss for every part are revealed in detail, and the analysis results are compared to the experimental results.Key words : two level; three phase inverter; SPWM; SVPWM; efficiency对两电平三相逆变器的调制方式选择问题一直是逆变器控制的主要研究方向。文献 [ 1~ 4] 从不同角度详细分析 了 SVPWM 调制方式与 SPWM 调制方式之间的区别与联系。当采用 SVPWM 调制方式时电压利用率比 SPWM 调制方式高约 15. 47% , 因此可以获得更高的调制度。但文章并 未 从 效 率 角 度 定 量 分 析 采 用 SPWM 和SVPWM 调制方法 的区别。文献 [ 5~ 9] 对单级式三相系统在 SPWM 调制方式下的损耗做了分析 , 但并未提及 SVPWM 调制方式下损耗计算方法和系统效率。其中文献 [ 5] 针对电压源逆变器和电流源逆变器损耗计算公式做了详细推导。文献 [ 6] 针对两电平和三电平逆变器在 SPWM 调制方式下的效率做了详细对比。文献 [ 7~ 9] 对几种软开关电路效率做了详细分析。本文以图 1 所示两电平三相逆变器为例分析了不同调制方式、 相同输出功率情况下系统的效率。首先 , 推导了 电路在 SPWM 、 准最 优 SVP上海应用技术学院学报 ( 自然科学版 ) 第 10 卷WM 、 开关损耗最小 SVPWM 这三种不同调制方式下不同阶段时各部分损耗的计算方法。然后 ,以 10 kW/ 380 V 系统为例计算了相同输出、 不同调制方式时系统的效率和损耗分布 , 并指出了引起系统效率不同的本质原因。最后 , 实测了系统在不同功率等级条件下的效率曲线 , 并把实验结果与理论计算结果进行了对比。图 1 两电平三相逆变器拓扑Fig. 1 Topology of two level three phase inverter1 两电平三相逆变器在 SPWM 调制方式下损耗计算当采用 SPWM 调制方式时 , 系统三个桥臂完全对称 , 只要计算其中一个桥臂的损耗就可以推算第二级电路损耗。对于单个桥臂 , 其占空比可表示为 :D ( ) = 0. 5 Vbus + V m sin( )V bus =1+ m sin( )2 (1)式中 : Vm 为输出相电压峰值 ; V bus为母线电压 ; m为 SPWM 调制方式下系统调制度。1. 1 结电容损耗开关管结电容在充放电过程中会产生能量损耗。计算公式为 :P cj 1 = 12 32 C igbt V 2p eakf s (2)式中 : Cigbt 为开关管结电容 ; Vpeak 为考虑电压尖峰时的母线电压峰值 ; f s 为开关频率。1. 2 二极管 、 开关管导通损耗二极管、 开关管导通 损耗发生 时刻不同 , 分别为 :P d _ con 1 = 3 0 V d 2 ( ) I o ( ) ( 1 - D ( )) d(3)P igbt _con 1 = 3 0 V igb t 2( ) I o ( ) D( ) d(4)式中 : V d1 ( I in ( ) ) 、 V igbt1 ( I in ( ) ) 分别为与电流相关的 二 极 管和 IGBT 导 通压 降 ; I in ( ) 为输 入电流。1. 3 二极管反向恢复损耗二极管在关断时 , 其内部电荷需要释放 , 因此会引起反向恢复损耗 , 其损耗值受反向恢复电压、反向恢复电流变化率影响 , 此处按反向恢复能量计算 :P r ec1 = 3 0 k ( V bu s ) E r r 1( I o ( ) ) f s d( 5)式中 : E rr 1( I in ( ) ) 为与电流相关的反向恢复损耗能量 ; k( V bus) 为与反向电压 ( 此处为母线电压 ) 相关的调整因子。产品技术手册给出的多为特定温度、 电压下参数 , 此处为使损耗计算更准确加入该拟合因子。1. 4 开关管开通损耗 、 关断损耗P tur n _ on 1 = 3 0 k ( V bus ) E on 1( I o ( ) )f s d - P rec 1 ( 6)P tur n _ off 1 = 3 0 k ( V bus ) E off 1( I o ( ) ) f s d( 7)式中 : E on1 (I in ( ) ) 、 Eof f 1 ( I in ( ) ) 分别为与电流相关的开通损耗能量和关断损耗能量。其中开通能量包括开关管开通损 耗能量和反向 恢复损耗能量 , 此处为分析开关管开通损耗与反向恢复损耗所占比例 , 将这两部分损耗分开。1. 5 电感损耗电感损耗包括磁芯损耗和线圈损耗。具体损耗大小与开关频率、 电感值、 电压电流条件、 制作材料、 制作工艺等相关。具体损耗计算可见参考文献 [ 10] 。2 两电平三相逆变器在 SVPWM 调制方式下损耗计算SV PWM 调制方式 不再存在 传统意 义上的占空比概念。其输出电压是通过线电压叠加产生的 , 损耗计算需要按照各部分电压、 电流和导通时间重新积分计算。下边对准最优 SVPWM 和开关损耗最小 SVPWM 调制方式时系统损耗计算公式进行详细分析。图 2 为采用 SVPWM 调制方式时的扇区分170第 3 期 叶银忠 , 等 : 两电平三相逆变器效率对比分析布图。六个扇区完全对称 , 此处只以第一扇区为例分析系统损耗。假设系统电流方向如图 1 标注方向。定义电流流出逆变器方向为正 , 流入逆变器方向为负。并以锯齿波载波为例分析。图 2 扇区分 布图Fig. 2 Sector distribution2. 1 开关损耗最小 SVPWM 损耗分析当采用开关损耗最小 SVPWM 调制方式时 ,第一扇区作用矢量分布如图 3, T 0、 T1 、 T 2 分别为各矢量作用时间。其中各开关管如图 1 标示。计算出各桥臂上管导通时间为 :T 1 ( ) = 3VmV bus TS sin3 - + sinT 2 ( ) = 3VmV bus TS sinT 3 ( ) = 0( 8)式中 : T s 为开关周期 ; T 1( ) 、 T 2( ) 、 T 3 ( )分别为第一桥臂、 第二桥臂、 第三桥臂上管导通时间。IGBT 和二极管导 通损耗与导通时 间相关 ,受开关管状态和电流限制 ; 反向恢复损耗与开关管开通前续流状态相关 , 现具体分析如下。图 3 开关损耗最小 SVPWM 第一扇区矢量分布图Fig. 3 Sector onevector distribution under minimumswitching power lossesSVPWM当第一桥臂上管开通时 , 电流流过上管开关管 ; 关断时 , 电流通过下管二极管实现续流。对于第二桥臂 , 当输出电流为正时 , 上管开通时电流流过开关管 , 关断时通过下管二极管续流 ; 当输出电流为负时 , 上管开通时电流流过二极管 , 上管关断时通过下管开关管续流。第三桥臂上管始终处于关断状态 , 电流始终通过下管开关管。第一桥臂和第二桥臂开关管开通前都通过二极管续流 , 开关管开通时存在反向恢复损耗。第三桥臂无开关动作 , 不存在反向恢复损耗。假设第一桥臂至第三桥臂电流分别为 I o cos( ), I o cos( - 2 / 3) , I o cos( + 2 / 3) 。各部分具体损耗计算如下 :2. 1. 1 结电容损耗P cj 2 = 12 32 C igbt V 2peak f s ( 9)2. 1. 2 二极管、 开关管导通损耗三个桥臂电流大小各不相同 , 二极管、 开关管导通时间也不相同 , 其导通压降及导通损耗需要按各桥臂单独计算。此处以二极管 损耗计算为例 , 开关管损耗计算公式类似。P d_con2_1 = 330 V d2 ( ) 2I o cos ( )1 - T1( )T s dP d_con2_2 = 660 Vd2 ( ) 2I o - cos -23T 2 ( )T s d +6 36V d 2( ) 2 I o cos- 23 Ts - T 2 ( )T sdP d_con2_3 = 330 Vd2 ( )2I o - cos + 23 T sTsd(10)P d _con 2 = P d _con 2_1 + Pd _ con 2_2 + P d _con 2_3 (11)式中 : Pd _con2_1 、 P d_ con2_2 、 P d_ con2_3 分别 为第一 桥臂、第二桥臂和第三桥臂二极管导通损耗 ; Pd_ con2 为第二级电路二极管导通损耗。2. 1. 3 二极管反向恢复损耗反向恢复能量与电流有效值相关 , 此处需要按各桥臂单独计算 , 第三桥臂无开关动作没有反向恢复损耗。171上海应用技术学院学报 ( 自然科学版 ) 第 10 卷P rec 2_1 = 330 k ( V bu s ) E r r 2_1 ( 2 I ocos( ) ) f s dP rec 2_2 = 330 k ( Vbu s ) E r r 2_22 I o cos - 23 f s d( 12)P rec 2 = P rec 2_1 + P r ec2_2 ( 13)式中 : P rec2_1 、 P rec2_2 分别为第一桥臂和第二桥臂二极管反向恢复损耗 ; P rec2 为第二级电路二极管反向恢复损耗。2. 1. 4 开关管开关损耗开通关断损耗能量与电流有效值相关。第三桥臂无开关动作不存在开关损耗 , 计算时只考虑第一桥臂和第二桥臂。开通损耗和关断损耗计算方法类似 , 此处只计算开通损耗。P tur n _on 2_1 = 33 0k ( V bus ) E on 2_1( 2 I o cos( ) ) f s dP tur n _on 2_2 = 330 k ( Vbu s ) E on 2_22I o cos - 23 f s d( 14)P tur n _on 2 = P t ur n _ on2_ 1 + P tu rn _on 2_2 - P r ec2 ( 15)2. 2 准最优 SVPWM 第二级电路损耗分析采用准最优 SVPWM 调制方式与开关损耗最小 SVPWM 调制方式相比 , 各桥臂开关管与二极管导通时间分布有所不同 , 开关管开通关断次数也不相同。此处主要针对不同点进行详细分析。采用准最优 SVPWM 调制方式 ( T 0 和 T 7 矢量相等的控制方法 ) 第一扇区作用矢量分布如图4,可以看出 , 此时第三桥臂存在开关动作。图 4 准最优 SVPWM 第一扇区矢量分布图Fig. 4 Sector one vector distribution understandard optimization SVPWM计算出各桥臂上管导通时间为 :T!1( )=V bu sT S+ 3V m T S sin 3 - + sin2V busT!2( )=V bu sT S- 3V m T S sin 3 - - sin2V busT!3( )=V bu s T S- 3V m T S sin 3 - + sin2V bu s(16)式中 : T!1( ) 、 T !2 ( ) 、 T !3 ( ) 分别为第一桥臂、 第二桥臂、 第三桥臂上管导通时间。第一桥臂和第二桥臂电流通路、 反向恢复问题都与准最优 SVPWM 调制方式下情况相同。第三桥臂在上管开通时 , 因输出电流方向问题电流流过二极管 ; 关断时 , 电流流过下桥臂开关管。第三桥臂开关管在开通前通过二极管续流 , 开通时存在反向恢复损耗。2. 2. 1 二极管、 开关管导通损耗此处以二极管损耗计算为例 , 开关管损耗计算公式类似。P d _con 3_1 = 330 Vd 3( ) 2 I o cos( )1- T !1( )T sdP d _con3_2 = 660 Vd 3( ) 2 I o- cos - 23 T!2 ( )T sd + 6 36V d 3( )2 I o cos - 23 Ts - T!2 ( )T s dP d _con 3_3 = 330 V d 3( )2I o cos + 23 T!3( )T sd(17)P d _con 3 = P d _con 3_1 + Pd _ con 3_2 + P d _con 3_3 (18)式中 : Pd_on3_1 、 Pd _on3_2 、 P d_on3_3 分别为第一桥臂、 第二桥臂和第三桥臂二极管的导通损耗 ; Pd_on3为第二级电路二极管导通损耗。2. 2. 2 二极管反向恢复损耗172第 3 期 叶银忠 , 等 : 两电平三相逆变器效率对比分析P r ec3_1 = 330 k ( V bus ) E r r 3_1( 2I o cos( )) f s dP r ec3_2 = 330 k ( Vbus ) E r r 3_22I o cos - 23 f s dP r ec3_3 = 330 k ( Vbus ) E r r 3_32I o cos + 23 f s d( 19)P rec 3 = P rec 3_1 + P r ec3_2 + P rec 3_3 ( 20)式中 : Prec3_1 、 Prec3_2 、 Prec3_3 分别为三个桥臂二极管反向恢复损耗 ; P rec3 为第二级电路二极管反向恢复损耗。2. 2. 3 开关管开关损耗开通损耗和关断损耗计算方法类似 , 此处只计算开通损耗。Pt ur n _on 3_ 1 = 330 k ( Vbu s ) E on 3_1( 2I o cos( )) f s dPt ur n _on 3_ 2 = 330 k ( Vbu s ) E on 3_22I o cos - 23 f s dPt ur n _on 3_ 3 = 330 k ( Vbu s ) E on 3_32I o cos + 23 f s d( 21)P tu rn _on 3 = P tu rn _on 3_1 + Pt ur n _on 3_2 +P tur n _on 3_3 - P r ec3 ( 22)3 两电平三相逆变器在不同调制方式下损耗分析和效率对比在以上理论分析基础上 , 设计了 10kW/ 380V逆变器系统进行实验验证。因 SPWM 电压利用率相对较低 , 为获得相同电压输出需要较高的直流母线电压。具体实验条件如表 1。开关器件使用的是 SEMIKRON 的 T4 代器件 SKM75GB12T4。表 1 实验条件Tab. 1 Experimental conditions调制方式 SPWM 五段式 SVPWM 七段式 SVPWM输入电压 / V 690 600 600输出电压峰值 / V 540 540 540开关频率 / kHz 15 15 15电感 L 1/ mH 1. 2 1. 2 1. 2Filter 电感 / mH 1. 6 1. 6 1. 6Filter 电容 / F 10 10 10在表 1 所列实验条件 (10 kW 负载等级 ) 时 ,采用 SPWM、 准 最 优 SVPWM、 开 关 损 耗 最 小SVPWM 时 的 计 算 效 率 分 别 为 96. 383% 、96. 772% 和 97. 668% 。图 5(a) 、 ( b) 、 (c) 分别为系统在 SPWM、 准最优 SVPWM、 开关 损耗最小 SVPWM 三种不同调制方式时的损 耗分布。可以看出 , 采用 SVPWM调制方式时 , 由于所需母线电压可以适当降低 , 开关导通时间变长 , 导通损耗所占比例相应增大 , 因开关次数一样 , 开关损耗和反向恢复损耗所占比例基本不变。而开关损耗最小 SVPWM 调制方式相比准最优 SVPWM 调制方式可以明显减小开关损耗和反向恢复损耗。图 5 损耗分布Fig. 5 Power lossesdistribution图 6 为按表 1 实验条件时 , 系统在 SPWM 、准最优 SV PWM 、 开关损耗最小 SVPWM 三种调制方式时 , 不同负载等级时的效率曲线。此处系统实测效率与计算效率有微小偏差 , 这是因为所用桥173上海应用技术学院学报 ( 自然科学版 ) 第 10 卷臂为 1200V/ 75A 桥臂 , 实际电流比额定电流小 , 参考数据手册精度问题可能会存在偏差导致拟合数据精度不够。从中可以看 出采用开关 损耗最小SVPWM 调制方式时系统在全负载段都可以获得较高效率。平均效率相比准最优 SVPWM 可以提高 0. 54%, 相比 SPWM 可以提高 0. 96%。图 6 不同负载等级时 实测效率曲线Fig. 6 Experimental efficiency curvesunderdifferent load grade4 结 论以传统两电平三相逆变器为例分析了不同调制方式、 相同 输出 功率 情况 下系 统的 效 率。因SPWM 和 SVPWM 输出电压产生 机理不同 , 针对 SPWM 、 准最优 SVPWM 、 开关损耗最小 SVPWM 这三种不同调制方式 , 详细推导了各部分损耗的计算公式。并以 10 kW/ 380 V 逆变器系统为例理论计算了系统的效率和损耗分布。其中 ,SPWM 开关损耗所占比例较大 , 准最优 SVPWM通过降低母线电压可以适当减少开关损耗 , 开关损耗最小 SVPWM 通过降低母线电压和减少开关次数可以明显降低开关损耗。采用开关损耗最小 SVPWM 调制方式后 , 相比 SPWM 调制方式 ,系统效率可以 提高 0. 96% 左 右。实验结果也证明了理论分析的正确性。参考文献 :[ 1 ] Zhou K L, Wang D W. 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