多电平逆变器建模与性能特征分析*

刘春梅

0 引言

多电平逆变器是非常变频领域中非常常见的器件，其具有谐波小、共模电压和波动幅度小、抗干扰能力强、开关频率低、综合效率高等特点。近年来得到了广泛的应用，针对多电平逆变器的相关研究也层出不穷，目前主要集中在对多电平逆变器的拓扑结构[1-2]和控制策略方面[3-4]的研究。

在对多电平逆变器的拓扑研究时，又重点是对其功率损耗进行研究，比如对三阶和四阶二极管钳位多电平逆变器功率损耗分析，二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容和串联多电平逆变器的功率损耗分析等[5-6]。但总体而言，目前对的研究大多没有对多电平逆变器的功率损耗和散热量进行综合分析[7]。文中将在相同输出电压条件下，对最常用的3种逆变器，即对称串联多电平逆变器、混合非对称串联多电平逆变器和中点钳位逆变器进行分析[8-9]，重点研究其功率损耗和散热量。

1 多电平逆变器的工作原理

多电平逆变器主要用于驱动感应电动机，包括中点钳位（NPC）逆变器、多级逆变对称逆变器、多级逆变混合非对称逆变器[10]。其中，一阶中点钳位（NPC）逆变器为用直流电连接，最大电压是3 400 V，在拓扑结构中使用的是IGBT模块或二极管模块FZ200R65KF1。一阶多级对称逆变器也被称为1-1-1-1，因为它提供了4个H桥级联单元，使用相同的直流输入电压源，要生成的相电压峰值是3 400 V，直流源必须等于850 V。该装置用于实现H桥单元，选取的型号为 BSM200GB170DLC。一阶多级混合非对称逆变器[11]。这种结构被称为1-1-2，之所以叫这个名字是因为这种设计使单元 3产生的电压幅度刚好是单元1和2的两倍，即单元1和2的直流电压源是850 V，而单元3是1 700 V。用于实现设备变频的系统是全球地面观测系统DG408BP45和二极管 DSF8045SK，最高功率单元（3）和较低功率单元（1和2）选取的型号为IGBT和二极管 BSM200GB170DLC。如图 1所示，是一个典型的多级逆变混合非对称逆变器的原理图[12]。

图 1 多级逆变混合非对称逆变器的原理

2 多电平逆变器参数化建模

在文中的对比分析中使用的性能指标有：输出电压一阶失真系数（DF1），总谐波失真（THD），半导体功率损耗和散热量。输出电压一阶失真系数是指逆变器输出电压时，由于漏电感产生的一阶衰减量，如下式所示。信号的总谐波失真是指总体谐波频率之和减去基本频率之和，再除以基本频率之和，所得的百分比[13]。

多电平逆变器工作时的功率损耗是建模时不可忽略的一个重要因素。半导体功率损耗可以通过每个设备数据表中的参数变化曲线（Vsat(θ)、E(θ)、I1(θ)估算出来。其中，Vsat是通态饱和电压（Vce用于IGBT模块，VF(θ)用于二极管模块，VTM(θ)用于GTO模块）；E(θ)表示在一次换向中的能量损耗。（Eon(θ)用于打开换向，Eoff(θ)用于关闭换向，Erec(θ)用于二极管反向复位过程）。

利用Matlab仿真工具，可以对多电平逆变器的主要工作参数进行建模分析，文中对 BSM200 GB170DL模块、二极管 DSF8045SK、GTODG408 BP45模块、 FZ200R65KF1等建模分析结果如下：

运用这个数学模型，针对每个设备不同的型号、传导和开关，计算每个半导体逆变器的功率损耗，把得到的所有结果加总，可求出总功率损耗。

当半导体设备导电时会引发传导功率损耗。下式给出了主要转换器（IGB和GTO）的传导功率损耗，其中condDP 给出的是二极管的传导功率损耗。

式中， il(θ)是指负载电流，ma指调制幅度指数，φ指负载位移角，Vcmd-swx指转换器SWX的指令信号。通过下式可计算出传导功率损耗的总和：

每次开启和关闭开关的瞬间都会产生功率损耗。开启、关闭和复位产生的功率损耗可以分别由如下3个计算式算出：

将上述公式计算得出的各个半导体设备开启、关闭和复位产生的功率损耗加总，就可以得到总开关的功率损耗。如下式：

总体功率损耗就是总传导功率损耗和总开关功率损耗之和。如下式：

半导体在散热时会产生功率损耗。任何一个半导体设备的稳定性和使用寿命都和设备的最大结点温度直接相关。因此，散热系统设计至关重要。

散热系统采用一维模型进行分析，一维模型设计和热阻（温度和功率损耗之比）有关。其中，Pd是平均功率损耗，THSsw是散热温度，Ta是外界环境温度。

散热温度（ RHSSW）可由下式求出：

应用一维模型进行分析的优点易于实现，这个模型假设所有外界环境温度都通过散热鳍转化为内部热量，且外界环境温度是不变的。另外，这个一维模型的应用要受到两个条件的限制：结点温度不变；在散热系统中心仅仅有一个功率损耗配置。

散热系统使用的是 BSM200GB170DLC、M200GB170DLC、DG408BP45、DSF8045SK、FZ200R65KF1的散热电阻。其中，Rθj-c是部件外壳和结点之间的热阻，Rθc-s是部件外壳和散热源之间的热阻，Rθs-a是散热源和外界环境之间的热阻，Rθc-a是部件外壳和外界环境之间的热阻。散热系统设计中所使用的半导体热阻参数如表1所示。

表 1 散热系统设计中所使用的半导体热阻参数

散热系统利用鳍型散热设计能够很好地减少热阻，在厂家生产散热设备时都会给出器件的参数性能表。但是，由于理论数值和实际参数之间往往存在误差，因此，在应用过程中需要进行参数修正，文中使用的温差修正系数（F△T）和长度修正系数（FL）分别由下式进行计算：

最后，再求出长度修正系数，即散热配置的长度，而该长度直接影响着总散热量。

3 测试与分析

当3个系统中存在着相同的输出滤波器时，即3个系统中使用的输出滤波器的体积，重量和成本是一样的， 且DF1都相等时，分析其载波频率。所用的性能指标有：装置的数量、输出相电压的级数、载波频率、一阶谐波段频率、总谐波失真、一阶失真系数、半导体功率损耗、散热量和拓扑结构如表2所示，且测试分析时调幅系数设为1。

表2 3种逆变器的主要参数特征

经过仿真测试，得到NPC、对称和混合非对称逆变器的半导体功率损耗如图2所示。其中NPC设计的总功率损耗为7 429 W，对称逆变器是1 532 W，混合非对称逆变器是1 136 W。通过分析发现NPC逆变器的功率损耗几乎都和开关有关，这是因为NPC逆变器输出电压的级数较低，为实现相同的输出滤波，就需要进行更多的开关操作。

图2 3种逆变器的半导体功率损耗测试结果

NPC对称和混合非对称逆变器的总散热量如图3所示。NPC逆变器的总散热长度是129.28 cm，对称逆变器是 115.47 cm，混合非对称逆变器是89.35 cm。NPC逆变器的总散热容量是24 967 cm3，对称逆变器是 19 286 cm3，混合非对称逆变器是14 619 cm3。其中半导体功率损耗、热量模型和散热系统剖面共同决定了逆变器散热的长度。通过对比分析可知，NPC逆变器的功率损耗几乎比对称逆变器和混合非对称逆变器的5倍还高，而三者的散热容量却差不多一样。

图3 3种逆变器的半导体散热量测试结果

接下来对一阶多级混合非对称逆变器的低压原型系统进行测试分析。这种多电平逆变器使用了3个H桥单元组，额定输出电量是1 kW。与之相连的直流电压源是：VDC1=90 V，VDC2=90 V，VDC3=180 V，这些直流电压通过多冲变压器和4个三阶整流器接入。每个整流器的额定负载是：P1=140 W，P2=240 W，P3=3273 W，P4=3273 W。单元3的直流电压源通过2个连接的整流器接入。所有的H桥单元使用IGBT模块均使用SK46GB063，该器件的参数化模型如下：

每个单元的功率损耗都能通过数学模型计算。通过计算，单元3的效率是97.36%，单元2是94.28%，单元1是91.03%，总效率是95.81%。

4 结语

通过对3种拓扑结构的多电平逆变器（混合非对称逆变器（1-1-2），对称逆变器（1-1-1-1），中点钳位逆变器（NPC）进行建模仿真分析，掌握了目前3种典型的多电平逆变器主要参数特征之间的关系，建立了仿真分析模型[14-15]。由于在该模型下能够对3种拓扑结构的多电平逆变器进行功率损耗和散热量的分析，为研究高效率拓扑结构的多电平逆变器提供了条件和环境。

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