作者：

石祥花 謝少軍

南京航空航天大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

本文原文刊登于《南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)》。

編輯推薦

三電平在1500V光伏，UPS，APF等系統(tǒng)中有廣泛應(yīng)用。在三個(gè)半橋IGBT模塊構(gòu)成的三電平功率單元中，ANPC等新穎三電平結(jié)構(gòu)可以避免無功換流路徑跨三個(gè)模塊的問題，也可以合理分配器件損耗。

文章詳細(xì)闡述各種三電平及其調(diào)制方式下的開關(guān)時(shí)序和換流過程分析，給出了三電平中功率開關(guān)的損耗計(jì)算方法，分析了各種三電平的損耗在各器件中的分布。結(jié)論是合理地選取NPC型拓?fù)浼捌湔{(diào)制策略，不僅可以改善傳統(tǒng)3L-NPC拓?fù)鋬?nèi)外管損耗不均衡的缺點(diǎn)，而且不影響系統(tǒng)效率。

引言

隨著能源緊缺及環(huán)境污染，新能源的利用成為趨勢(shì)。其中，光伏發(fā)電簡單、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，隨著光伏發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，其規(guī)模不斷增大，因此需要研究高性能大容量的光伏并網(wǎng)逆變器，而高效率是高效能的重要因素之一。追求高效率，通常采用單級(jí)式、非隔離的光伏并網(wǎng)逆變器；追求大容量，由于光伏板串聯(lián)數(shù)目較多，這要求適用于高輸入電壓場(chǎng)合，因此三電平半橋逆變器成為目前的研究熱點(diǎn)。三電平半橋結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：二極管箝位式[1]、飛跨電容式[2]、級(jí)聯(lián)三電平式[3]。其中，二極管箝位式是最早提出的一種三電平變流器拓?fù)洌淠蛪旱燃?jí)高；開關(guān)損耗小、效率高；開關(guān)動(dòng)作時(shí)dv/dt小，引起的電磁干擾??；輸出電壓波形為三電平，諧波含量少，所需的濾波電感量小，有利于降低系統(tǒng)成本和功率損耗。但是，該拓?fù)浯嬖趦?nèi)外管損耗不均勻問題，使得變換器散熱設(shè)計(jì)困難，容量受限，因此在大容量的功率變換器中，不僅要關(guān)注高效率，還要考慮損耗分布均衡問題。

基于傳統(tǒng)3L-NPC的缺陷，衍生出一系列NPC型拓?fù)洌?L-ANPC[4] (3L-Active NPC)、3L-SNPC[5][6](3L-Stacked NPC)及3L-ASNPC[7] (3L-Active Stacked NPC)。文獻(xiàn)[4]對(duì)3L-ANPC拓?fù)渌捎玫恼{(diào)制策略，可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)零電平續(xù)流路徑；文獻(xiàn)[5]對(duì)3L-SNPC提出了倍頻SPWM調(diào)制策略，使得橋臂輸出電壓實(shí)現(xiàn)倍頻，而文獻(xiàn)[6]中又提出了一種新型SPWM調(diào)制策略，該策略可實(shí)現(xiàn)并聯(lián)的零電平續(xù)流路徑；文獻(xiàn)[7]對(duì)3L-ASNPC提出了倍頻SPWM調(diào)制策略等。由于衍生的NPC型拓?fù)淇煽仄骷龆?，使得其調(diào)制策略多樣化。而文獻(xiàn)[4]、[5]、[6]、[7]僅僅是結(jié)合某一種或幾種調(diào)制策略對(duì)相應(yīng)的NPC型拓?fù)溥M(jìn)行了分析，沒有全面分析采用不同調(diào)制策略時(shí)零電平續(xù)流路徑的配置方式對(duì)變換器損耗分布的影響。

由于NPC型拓?fù)浞N類較多，同時(shí)具有多種調(diào)制策略，有必要對(duì)NPC型三電平拓?fù)浼捌湔{(diào)制策略進(jìn)行全面的對(duì)比分析，以明晰其特點(diǎn)。本文主要根據(jù)對(duì)零電平續(xù)流路徑進(jìn)行不同的配置，總結(jié)其可行的調(diào)制策略，并對(duì)各拓?fù)湓诓煌{(diào)制策略下進(jìn)行損耗分析，比較其損耗分布均衡情況，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行效率測(cè)試，為優(yōu)化選取NPC的拓?fù)浼捌渲撇呗蕴峁﹨⒖肌?/p>

NPC型三電平半橋逆變器調(diào)制策略

NPC型三電平半橋拓?fù)渲饕?種形式，如圖1所示，分別為3L-NPC、3L-ANPC、3L-SNPC及3L-ASNPC。3L-NPC拓?fù)溆捎诳煽仄骷^少，調(diào)制策略比較單一。衍生的NPC型拓?fù)?，可控器件增多，使得調(diào)制策略多樣化。

圖1 NPC型三電平半橋拓?fù)?/p>

1新型NPC型三電平半橋拓?fù)涮攸c(diǎn)

以3L-ANPC為例，正向電流續(xù)流路徑有P1和P2；負(fù)向電流續(xù)流路徑有N1和N2，如圖2所示，分別具有2條正負(fù)向的續(xù)流路徑。類似的，3L-SNPC同樣分別具有2條正負(fù)向的續(xù)流路徑，3L-ASNPC分別具有3條正負(fù)向的續(xù)流路徑。由于新型NPC型半橋拓?fù)淞汶娖嚼m(xù)流路徑增多，為調(diào)制策略多樣化提供條件。

圖2 3L-ANPC 型三電平半橋拓?fù)淅m(xù)流路徑

2新型SPWM調(diào)制策略

當(dāng)存在多條零點(diǎn)續(xù)流路徑時(shí)，可并聯(lián)續(xù)流，也可交替續(xù)流。根據(jù)零電平續(xù)流路徑配置特點(diǎn)，可以得到4種SPWM調(diào)制策略，其特點(diǎn)如表1所示。

表1 4種SPWA調(diào)制特點(diǎn)

對(duì)應(yīng)的，圖3給出了3L-ANPC半橋拓?fù)涞?種SPWM調(diào)制策略邏輯圖。

圖3 3L-ANPC半橋拓?fù)?種SPWM調(diào)制策略邏輯圖

以3L-ANPC的4種調(diào)制策略為例，分析其工作特點(diǎn)，如表2所示。

類似于3L-ANPC的分析，3L-SNPC與3L-ASNPC同樣具有以上4種特點(diǎn)的調(diào)制策略。3L-SNPC的4種調(diào)制策略與3L-ANPC完全一致，其區(qū)別在于，開關(guān)管S1c和S3在3L-ANPC拓?fù)渲刑幱隗槲还芪恢?，而?L-SNPC拓?fù)渲刑幱谥虚g管位置。由于3L-ASNPC可控器件較多，若采用普通SPWM調(diào)制，開關(guān)器件利用率過低，因此主要給出以下3種調(diào)制策略，如圖4所示。

表2  3L-ANPC在4種SPWM調(diào)制下工作特點(diǎn)

圖 4 3L-ASNPC半橋拓?fù)?種SPWM調(diào)制策略邏輯圖

NPC型三電平半橋拓?fù)鋼p耗分析

新型3L-NPC拓?fù)浞N類多樣，又具有多種調(diào)制策略，本文以損耗分析為基礎(chǔ)，比較其損耗分布情況。

1損耗計(jì)算模型

IGBT損耗計(jì)算模型

IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的是導(dǎo)通壓降與其導(dǎo)通電流的關(guān)系曲線。采用直線擬合方式，可得到其導(dǎo)通壓降的表達(dá)式：

則IGBT的導(dǎo)通損耗為：

根據(jù)IGBT的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可以得到典型狀態(tài)下的開關(guān)特性各參數(shù)值，一般可認(rèn)為在特定的電壓和電流范圍內(nèi)有E∝Vcc且E∝Ic，其中E指Eon或Eoff。因此IGBT的開關(guān)損耗近似為：

其中，VCE(ton)與VCE(toff)分別指IGBT開通與關(guān)斷時(shí)刻的耐壓，VCE與IC分別為數(shù)據(jù)手冊(cè)上Eon和Eoff的測(cè)試條件。

二極管損耗計(jì)算模型

二極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的是正向壓降與其導(dǎo)通電流的曲線。采用直線擬合的方式，可得到其導(dǎo)通壓降的表達(dá)式：

則二極管的導(dǎo)通損耗為：

二極管的反向恢復(fù)損耗一般表達(dá)式為：

其中，Qrr為反向恢復(fù)電荷，VR為其所承受的反偏電壓。由于Qrr與If及dif/dt均有關(guān)，這里簡單的認(rèn)為Qrr∝If，則二極管的反向恢復(fù)損耗為：

其中，If為數(shù)據(jù)手冊(cè)中Qrr的測(cè)試條件。

2NPC型三電平半橋逆變器損耗計(jì)算

NPC型三電平半橋逆變器的橋臂輸出電壓等效占空比D與輸出電流瞬時(shí)值io表達(dá)式為：

其中，Vin為輸入電壓，Vo為輸出電壓有效值，Po為輸出功率。

以3L-ANPC為例，采用PF-SPWM調(diào)制策略，在PF=1條件下各器件的電流分配關(guān)系如表3所示，其中所有開關(guān)器件選用IGBT，二極管選用快恢復(fù)二極管。

表3  3L-ANPC在PF-SPWM調(diào)制下各器件的電流分配關(guān)系

由表3、式(8)和式(9)可得，3L-ANPC在PF-SPWM調(diào)制下，各開關(guān)器件損耗為：

（1）外管S1/S3c

其中，VCE(ton)=VCE(toff)=Vin/2。

（2）內(nèi)管S2/S2c

其中，VR=Vin/2。

（3）箝位管S3/S1c

其中，VR=Vin/2。

3NPC型三電平半橋逆變器損耗分布對(duì)比

為了確保損耗對(duì)比的合理性，本文采用3L-ASNPC拓?fù)溲兄屏薔PC型拓?fù)涞慕y(tǒng)一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其技術(shù)參數(shù)如表4所示。在Vin(min)及Vo(min)條件下，分別對(duì)各NPC型三電平半橋逆變器在不同調(diào)制策略下進(jìn)行開關(guān)器件損耗分布分析。

表4 NPC型三電平半橋逆變器技術(shù)參數(shù)

傳統(tǒng)3L-NPC開關(guān)器件損耗分布于調(diào)制比和功率有很大關(guān)系，一旦電路容量、調(diào)制比及 功率因數(shù)確定后，其損耗分布也隨之確定。圖5給出了5kW傳統(tǒng) 3L-NPC在普通SPWM調(diào)制下的損耗分布圖，可以看出，3L-NPC的內(nèi)外管損耗不均衡，隨著調(diào)制比、開關(guān)頻率及容 量的加大，二者的差距將更加明顯。然而，傳統(tǒng)3L-NPC調(diào)制策略單一，損耗分布無法優(yōu)化，因此在大容量應(yīng)用場(chǎng)合，其散熱設(shè)計(jì)比較困難。

圖5 5kW 3L-NPC半橋逆變器各開關(guān)器件損耗分布

圖6給出了在不同調(diào)制策略下，5kW衍生NPC型三電平半橋逆變器各開關(guān)器件損耗分布?？梢钥闯觯?/p>

① 3種衍生的NPC型拓?fù)湓?種調(diào)制策略下總損耗基本一致，占總?cè)萘康?.265%~2.275%左右；

② 3L-ANPC拓?fù)涞拈_關(guān)器件損耗差異較大；

③ 在PF=1時(shí)，3L-SNPC與3L-ASNPC拓?fù)鋼p耗分布一致，在DF-SPWM及PFDF-SPWM調(diào)制策略下，內(nèi)外管損耗分布較為均衡。

因此，合理地選取NPC型拓?fù)浼捌湔{(diào)制策略，不僅可以改善傳統(tǒng)3L-NPC拓?fù)鋬?nèi)外管損耗不均衡的缺點(diǎn)，而且不影響系統(tǒng)效率。

圖6 在不同調(diào)制策略下，5kW衍生NPC型三電平半橋逆變器各開關(guān)器件損耗分布

另外，當(dāng)?shù)刃ч_關(guān)頻率改變時(shí)，由于開關(guān)損耗將同比例增長，各NPC型拓?fù)湓诓煌{(diào)制策略下，其開關(guān)器件總損耗依然是基本一致的。

【致謝】感謝謝少軍老師為本公眾號(hào)供稿！

參考文獻(xiàn)

[1] Nabae A, Takahashi I, Akagi H. A new neutral-point-clamped PWM inverter[J]. IEEE Trans. Industry Applications, 1981, 16(5): 518-523.

[2] Shukla A, Ghosh A, Joshi A. Static shunt and series compensations of an SMIB system using flying capacitor multilevel inverter[J]. IEEE Trans. Power Delivery, 2005, 20(4): 2613-2622.

[3] 陳阿蓮, 何湘寧, 趙榮祥. 一種改進(jìn)型的級(jí)聯(lián)多電平變換器拓?fù)鋄J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2003, 23(11): 9-12. 

Chen Alian, He Xiangning, Zhao Rongxiang. An improved cascade multi-level converter[J]. Proceedings of CSEE, 2003, 23(11): 9-12. (in Chinese)

[4] Li Jun, Huang A Q, Liang Zhigang, et al. Analysis and design of active NPC (ANPC) inverters for fault-tolerant operation of high-power electrical drives[J]. IEEE Trans. Power Electronics, 2012, 27(2): 519-533.

[5] Floricau D, Gateau G, Dumitrescu M, et al. A new stacked NPC converter: 3L-topology and control[C]. European Conf. on Power Electronics and Applications, Aalborg, Sept. 2007, pp: 1-10.

[6] Floricau D, Floricau E, Gateau G. Three-level SNPC commutation cell: Features and control[C] IEEE International Symposium on Industrial Electronics, 2008, pp: 44-49.

[7] Floricau D, Gateau G, Leredde A. New active stacked NPC multilevel converter: operation and features[J] IEEE Trans. on Industry Electronics, 2010, 57(7): 2272-2278.