基于IGBT离线测试平台的功率逆变器损耗准在线建模方法

何湘宁 吴岩松 罗皓泽 李 鹏 李武华 邓 焰

（浙江大学电力电子国家专业实验室 杭州 310027）

1 引言

随着电力电子技术的发展，功率逆变器得到了极为广泛的应用。虽然各国工程师一直致力于逆变器性能的提高，但是在工业应用中逆变器故障仍屡见不鲜。研究[1]表明，近 60%的故障是由温度引起的，温度每上升10℃，故障率增加一倍。所以在逆变器设计初期，了解逆变器的损耗情况可为下一步选取合适的散热系统、提高逆变器的可靠性奠定基础。逆变器损耗可以通过建模计算来得到，建模一般步骤为：根据逆变器实际运行工况，分析出各器件的导通规律与运行区间，再代入相应的器件损耗模型[2]。逆变器的主流器件是 IGBT和二极管，损耗主要为通态损耗和开关损耗。对于通态损耗，文献[2-6]的方法大致相同，即通过通态压降、电流与占空比来计算损耗。对于开关损耗，一类方法是将器件开关过程分解为若干阶段，针对每个阶段列写电压、电流表达式，最后分段积分得到开关能量损耗[3,7]，该方法要求用户充分了解功率器件开关机理，不仅不容易得到精确的解析表达式，而且计算过程复杂繁琐；另一类方法是通过大量测试数据将开关能量损耗与其影响因素进行拟合。

以上方法大多要借助器件厂商提供的数据手册，但是这些数据的标准测试环境不同于器件实际应用工况，直接使用将引入较大的误差。考虑到实际关断电压不同于标准测试时的关断电压，文献[4,8]对关断能量损耗的拟合函数作了线性调整，但该调整只有在额定关断电压±20%的范围内有效[9]；考虑到温度效应，文献[2,10]对拟合函数进行了指数校正，但是校正系数不易确定；而且很少有文献考虑到换流回路的寄生参数对开关特性的影响，而该影响不可小觑[11,12]。IGBT离线测试平台可全面考虑开关特性的影响因素，建立任意中高压功率器件不同关断电压、集电极电流、门极电压电阻、环路杂散电感、器件结温下的开关动态特性多维数据库，为逆变器损耗建模提供数据基础。

基于 IGBT离线平台，本文提出了一种大功率逆变器损耗准在线模型。该模型采用的测试方法不再只关注于器件级的研究，而是对两电平/三电平的换流模式、载波PWM/SVPWM调制方式、有源/无源逆变工况进行分析和状态等效，通过模拟逆变器实际工况下的换流模式、调制方法、驱动情况、杂散参数以及缓冲电路等工况将系统级与器件级的研究相结合，并调用开关动态特性多维数据库提取实际工况下各开关工作点的相关参数，从而更加精确地建立逆变器损耗模型。损耗模型结果与实测结果表现出了很好的一致性。

2 基于IGBT离线测试平台的开关动态特性多维数据库

文献[13,14]设计的离线测试平台基本上能够覆盖现有全范围 IGBT等级，可建立任意中高压功率器件不同的关断电压、集电极电流、门极电压电阻、环路杂散电感、器件结温下的开关动态特性多维数据库，从而为逆变器损耗准在线建模提供更加精确的数据基础。考虑到多个参数的变化和影响，该数据库维数多达六维。图1和图2给出了某一(1 200V/300A)IGBT器件开关动态特性随关断电压/集电极电流、驱动电阻/器件结温变化三维变化规律图，其中，Vg为驱动电压，Lσ为换流回路杂散电感。

图1 不同关断电压和集电极电流下的开关能量与过冲Fig.1 Switching energy and spikes under different Vceand Ic(Tj=30℃，Vg=+15V/-7V，Rg=1.1Ω，Lσ=72nH）

图2 不同驱动电阻和结温下的开关能量和过冲Fig.2 Switching energy and spikes under different Rgand Tj(Vg=+15V/-7V，Vce=500V，Ic=100A，Lσ=72nH）

3 逆变器工作状态分析与等效

虽然逆变器控制方式有载波 PWM/SVPWM调制，拓扑上有桥式两电平和中点钳位（Neutral Point Clamped，NPC）三电平拓扑，可应用于电机拖动或者发电并网等场合，但是从开关换流模式的角度出发，可以进行等效。

3.1 调制方式分析与等效

SVPWM调制方式直流母线利用率高、便于数字化实现，许多逆变器都采用SVPWM调制策略。但在IGBT离线测试平台中，载波PWM调制相对容易计算出开关动作时刻的负载电流和导通时间。由文献[15,16]可知，常规SPWM与其他调制方式有着非常明确的关系；文献[2]在计算损耗时将SVPWM调制近似等效为在常规SPWM调制波中注入了某三次谐波，与SVPWM近似等效的参考电压调制函数可表示成[2]

式中，mf为调制比。因此，可用载波PWM调制来讨论损耗建模问题。

3.2 拓扑开关换流分析与等效

对于桥式两电平逆变器，其换流回路如图3所示，可由基本双脉冲测试电路来等效[17]；对于NPC三电平逆变器，有两种强迫换流回路[18,19]：换流回路A与B，如图4所示。显然，换流回路A可由双脉冲测试电路来等效。由文献[12,20]NPC逆变器在线测试波形可知，当负载电流由VDS3、VDS4向VD1、S2换流时，VDS3端压始终为0，并没有发生反向恢复，换流模态可等效为二极管 VDS4与 IGBT S2换流；当负载电流由 VD1、S2向 VDS3、VDS4换流时，VD1也没有发生反向恢复，该换流模态可等效为IGBT S2与二极管发生换流，因此换流回路B也可由双脉冲测试电路来等效。所以无论是桥式两电平还是NPC三电平，其换流回路都可由双脉冲测试电路来模拟开关换流过程。

图3 两电平逆变器换流回路Fig.3 Commutation circuit of 2-level inverters

图4 NPC三电平逆变器的两种换流回路Fig.4 Two commutation circuits of NPC 3-level inverters

3.3 负载功率因数角的分析与等效

当逆变器拖动电机等阻感性负载时，负载功率因数角可由铭牌查到；但是当逆变器并网时，根据逆变器系统向电网输出功率状态的不同，功率因数角有所不同。ea为并网变压器一次侧等效相电压，ia为并网电流，uL为电抗器压降，ua0为逆变器输出电压基波。参考文献[21]，忽略电抗器与线路上的电阻，可得ea、ia、uL、ua0的矢量关系如图5所示。

图5 系统输出不同功率状态时ea、ia、uL、ua0的矢量图Fig.5 The vector diagram of ea、ia、uL、ua0when system outputs different kinds of power

由图5a可知系统输出纯有功功率时的功率因数角如式（2）所示，由图5b、图5c易知系统输出纯容性和感性无功时功率因数角分别为-90°与90°。

4 基于离线测试平台的逆变器损耗准在线建模

在完成上述等效工作后，损耗建模的基本步骤如下。

（1）假设负载电流正弦，根据逆变器的运行工况，分析各器件的开关规律。对于桥式两电平、NPC三电平逆变器，载波周期内导通器件与电压、电流基波之间的关系分别如图6和图7所示（假定采用标准SPWM调制）。

图6 两电平逆变器调制波周期内开通器件与输出电压/电流基波之间的关系Fig.6 The relationship between on-state devices and output voltage/current fundamentals during one modulated wave period in 2-level inverters

图7 NPC三电平逆变器调制波周期内开通器件与输出电压/电流基波之间的关系Fig.7 The relationship between on-state devices and output voltage/current fundamentals during one modulated wave period in NPC 3-level inverters

（2）根据逆变器的调制方式、开关频率以及负载功率因数角等运行工况，离线计算出各器件开关动作时刻的负载电流与导通时间。

（3）对于通态特性，选择与逆变器相同的驱动电压，利用371A High Power Curve Trace静态分析仪测取不同结温Tj下功率器件饱和压降与导通电流的关系，获得相关曲线。

（4）对于开关特性，在IGBT离线测试平台上安装与逆变器相同的 IGBT模块、二极管。选择相同的驱动条件、缓冲电路及环路电感。在不同结温Tj下，测取不同负载电流时 IGBT与二极管的开关能量损耗，可获得器件的开关能量与负载电流的关系曲线。

（5）计算某一结温下的逆变器总损耗。在大功率逆变器中，为减少开关损耗，选取的开关频率并不很高，积分求损耗的方法已不再适用，故本文采用累加的方法计算损耗，其方法如下：

①桥式两电平逆变器。结温Tj下，两电平逆变器单相桥臂通态损耗和开关损耗可由式（3）～式（5）求得，式中的符号定义详见表1。

其中

表1 两电平逆变器损耗表达式中的符号定义Tab.1 The symbol definitions of 2-level inverter loss expressions

②NPC三电平逆变器。结温Tj下，三电平逆变器单相桥臂通态损耗和开关损耗可分别由式（6）、式（4）、式（7）求得。但此时需重新定义式（4）中的符号，各式中的符号定义详见表2。

表2 NPC三电平逆变器损耗表达式中的符号定义Tab.2 The symbol definitions of NPC 3-level inverter loss expressions

结温Tj下逆变器总损耗为

（6）对不同结温Tj下的总损耗进行插值计算，可得到逆变器在某一结温Tj下的损耗。

5 基于离线测试平台的逆变器损耗准在线建模实例

由于桥式两电平和 NPC三电平逆变器的建模机理相同，不失一般性，本文以50kW并网逆变器为损耗建模对象，逆变器输出电压经电抗器（0.75mH）、升压变压器后并入电网。该逆变器主电路采用三相结构，每相桥臂并联吸收电容（C38105K1200 1200V/1μF）；开关频率为 10kHz；IGBT 型号为SEMiX303GB12Vs，驱动电压+15/ -7V，驱动电阻1.1Ω。

当母线电压为 500V，输出功率 34.71kW 时，利用功率分析仪测得升压变压器一次侧功率为33.85kW，电抗器损耗计算值为204W，此时IGBT结温32℃；通过准在线损耗建模得到逆变器的总损耗与结温Tj关系曲线如图8所示。

图8 逆变器总损耗与结温的关系曲线Fig.8 The relationship between inverter total loss and device junction temperature

实测损耗、准在线建模损耗以及参照文献[8]利用厂商数据手册计算出的损耗对比见表 3。由此可见，厂商的数据手册计算出的损耗引入了较大的误差，准在线建模损耗与实测损耗之间具有很好的一致性。

表3 不同方法得到的损耗对比Tab.3 The loss comparison derived from different methods

6 结论

本文针对大功率逆变器，建立了基于 IGBT离线测试平台的逆变器损耗准在线模型。将逆变器的换流模式、调制方法、负载类型进行状态分析与等效，在与逆变器相同的换流模式、驱动条件、缓冲电路、杂散参数等工况下，借助离线测试平台建立的开关动态特性多维数据库得到了逆变器实际工况下各开关工作点的开关特性和能耗情况，最终计算出大功率逆变器的损耗。与实测损耗对比结果证明了该准在线建模方法的正确性。该损耗建模方法可以在逆变器设计时为散热器选取、功率器件分置以及高性能逆变器的结构设计提供重要参考。

[1] Fabis P M,Shum D,Windischmann H.Thermal modeling of diamond-based power electronics packaging[C].IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium Records,San Diego,CA,USA,1999: 98-104.

[2] 景巍.大功率三电平变频器功率器件损耗研究[D].北京: 中国矿业大学,2011.

[3] 王群京,陈权,姜卫东,等.中点钳位型三电平逆变器通态损耗分析[J].电工技术学报,2007,22(3): 66-71.Wang Qunjing,Chen Quan,Jiang Weidong,et al.Analysis of conduction losses in neutral point clamped three level inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2007,22(3): 66-71.

[4] 李锃.大功率多电平逆变器寄生参数对电路性能影响和抑制的分析与研究[D].杭州: 浙江大学,2008.

[5] Boris L Corral Martinez,马柯,李睿,等.三电平和两电平逆变器效率分析与比较[J].电力电子技术,2009,43(7): 1-2,22.Boris L Corral Martinez,Ma Ke,Li Rui,et al.Efficiency analysis and comparison of three-level and two-level inverters[J].Power Electronics,2009,43(7):1-2,22.

[6] 胡建辉,李锦庚,邹继斌,等.变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计[J].电工技术学报,2009,24(3): 159-163.Hu Jianhui,Li Jingeng,Zou Jibin,et al.Losses calculation of IGBT module and heat dissipation system design of inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2009,24(3): 159-163.

[7] 洪峰,单任仲,王慧贞,等.一种逆变器损耗分析与计算的新方法[J].中国电机工程学报,2008,28(15): 72-78.Hong Feng,Shan Renzhong,Wang Huizhen,et al.Analysis and calculation of inverter power loss[J].Proceedings of the CSEE,2008,28(15): 72-78.

[8] 黄碧霞,陈阳生.一种三相逆变器损耗分析方法[J].微电机,2009(9): 49-52.Huang Bixia,Chen Yangsheng.Prediction of power losses in three-phase inverter based on system simulation[J].Micromotors,2009(9): 49-52.

[9] Dimensioning program IPOSIM for loss and thermal calculation of Infineon IGBT modules[OL].Technical Documentation,http: //www.Infineon.com.

[10] Blaabjerg F,Pedersen J K,Sigurjonsson S,et al.An extended model of power losses in hard-switched IGBT-inverters[C].IEEE Industry Applications Conference Records,San Diego,USA,1996: 1454-1463.

[11] 汪鋆,杨兵建,徐枝新,等.750kVA高功率密度二极管箝位型三电平通用逆变模块的低感叠层母线排设计[J].中国电机工程学报,2010,30(18): 47-54.Wang Jun,Yang Bingjian,Xu Zhixin,et al.Configuration of low inductive laminated bus bar in 750 kVA NPC three-level universal converter module of high power density[J].Proceedings of the CSEE,2010,30(18): 47-54.

[12] 何湘宁,吴岩松,杨兵建,等.大功率三电平逆变器的开关模态转换状态的实时监测[J].中国电机工程学报,2012,32(30): 54-60.He Xiangning,Wu Yansong,Yang Bingjian,et al.Real-time state monitoring during switching mode conversions in high power three-level inverters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(30): 54-60.

[13] 李鹏.高压大功率 IGBT测试平台的研制及相关问题研究[D].杭州: 浙江大学,2012.

[14] 陈娜.中高压 IGBT功率模块开关特性测试及建模[D].杭州: 浙江大学,2012.

[15] 吴洪洋,何湘宁.多电平载波 PWM 法与 SVPWM法之间的本质联系及其应用[J].中国电机工程学报,2002,22(5): 10-15.Wu Hongxiang,He Xiangning.Relationship between multilevel carrier-based PWM and SVPWM and its applications[J].Proceedings of the CSEE,2002,22(5):10-15.

[16] Vladimir Blasko.A hybrid PWM strategy combining modified space vector and triangle comparison methods[C].IEEE Power Electronics Specialists Conference Records,Baveno,1996: 1872-1878.

[17] Yuan Liqiang,Zhao Zhengming,Bai Hua,et al.The IGCT test platform for voltage source inverters[C].IEEE Power Electronics and Drive Systems Records,Singapore,2003: 1291-1294.

[18] 杨兵建.基于 IGBT的大功率三电平逆变器控制与测试方法等相关问题研究[D].杭州: 浙江大学,2011.[19] 吴斌.大功率变频器及交流传动[M].北京: 机械工业出版社,2007.

[20] 何湘宁,杨兵建,吴岩松,等.大功率三电平逆变器开关动态特性在线测试方法研究[J].中国电机工程学报,2012,32(24): 23-29.He Xiangning,Yang Bingjian,Wu Yansong,et al.An on-line test method of switching dynamic performances in high power three-level inverters[J].Proceedings of the CSEE,2012,32(24): 23-29.

[21] 王兆安,杨君,刘进军,等.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京: 机械工业出版社,2005.