NPC三電平逆變器PWM時降低損耗的研究

摘要：在大功率應用場合中，逆變器開關器件的損耗問題一直是制約其性能提高的因素之一。其損耗可分為通態損耗和開關損耗。討論了這兩種損耗的計算方法，并提出一種降低開關損耗的PWM方法，即SLMPWM。給出了調制度和功率因數角變化時，傳統SPWM和SLMPWM策略的損耗分布區面。可見，在很大范圍內，PWM策略能將開關損耗降低約一半。最后，給出了這兩種調制策略諧波特性的比較，可見，SLMPWM調制策略的諧波特性與SPWM基本一致，不會由于等效開關次數降低而導致諧波特性變差。
關鍵詞：逆變器；脈寬調制；諧波

1 引言
自多電平電路拓撲面世以來已逐漸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)結構已在如高壓(中壓)交流電機傳動、FACTS、電網質量管理和電網無功補償和吸收等多個領域得到了廣泛應用。在三電平變流器中應用的主流器件是大功率、高壓電力電子器件(例如IGCT或HVIGBT)及快恢復二極管，它們在變換器工作時要產生通態損耗、斷態損耗和開關損耗，其中開關損耗是器件損耗的主要部分。
多電平逆變器的特點之一是半導體器件相對較多，在對多電平通態損耗的研究中，文獻提出混合四電平拓撲功率損耗計算，文獻對級
聯式多電平通態損耗進行了研究，該方法可用在假設輸出電流為正弦波情況下，調制算法具有確定關系式的通態損耗計算。
這里提出一種能夠有效降低開關損耗的調制方法。該方法對于通態損耗影響不大，但能將開關損耗降低一半左右。分析比較傳統SPWM算法與改進調制方法的諧波特性，得出兩者諧波特性基本一致，故改進算法能在保持SPWM諧波特性的基礎上，有效地降低NPC三電平逆變器的損耗。

2 逆變器拓撲結構及PWM原理
圖1示出NPC三電平電壓源逆變器的主電路拓撲。開關器件選擇5SHZ08F6000型IGCT，相配套的快恢復二極管FRD選擇5SHZ08F6004。逆變器每相有4個帶有反并續流二極管的功率管和2個箝位二極管。當VS1，VS2或VD1，VD2導通時，輸出Udc，記作1電平；當VDc1，VS2或VDc2，VS3導通時，輸出電平零，記作0電平；當VS3，VS4或VD3，VD4導通時，輸出-Udc，記作-1電平。

NPC三電平逆變器的調制方法，較多采用基于載波的PWM(SPWM)方法和空間電壓矢量調制(SVPWM)方法。已有文獻證明，通過合理注入零序電壓，SPWM與SVPWM存在等效關系，因此對于SVPWM相關問題的分析可通過構造等效的SPWM載波信號來獲得。
當逆變器的調制波為標準三相正弦交流信號時，相電壓峰值為Um，定義逆變器的調制度m=πUm／(4Udc)，SPWM的m最大值為0．785，而SVPWM的m最大值為0．907。按采樣周期內調制波uk和ik的符號(規定電流由逆變器流向負載的方向為正)，可將導通和換流分為4種模式，如圖2所示。

當uk>0，ik>0時，這種導通與換流模式記為模式1。采樣周期內電平將會在1和0電平之間切換，如圖2a所示。輸出1電平時間k,1=ukTs ／Udc，此時VS1，VS2導通，輸出0電平時間tk,0=(1-uk／Udc)Ts，此時VDc1，VS2導通。參與導通的器件為VS1，VS2，VDc1，而開關動作的器件為VS1，VDc2。