SVPWM和DPWMA调制方式下逆变器损耗仿真研究

焦静静，谢宏伟

（1.无锡科技职业学院，江苏无锡，214000；2.上汽大通有限公司无锡分公司，江苏无锡，214000）

0 引言

在碳达峰、碳中和目标指引下，太阳能等可再生能源迎来了新的机遇和挑战。光伏逆变器作为光伏并网发电的关键一环，行业态势向高效率和低成本发展。传统光伏逆变器的调制方式有正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，SPWM)和空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM)。SPWM的调制原理是生成由正弦调制波和三角载波相交的脉冲宽度，其原理简单，易于实现，但直流电压利用率低。区别于SPWM，SVPWM解决了直流电压利用率低的问题，同时降低了输出电压谐波畸变率。SPWM和SVPWM均为连续脉宽调制(Continuous Pulse Width Modulation，CPWM)，这些调制方式使得功率器件频繁连续地开关，增加了逆变器的损耗和热应力，影响了逆变器的效率和散热成本，不利于逆变器向行业态势发展。相比于CPWM，不连续脉宽调制(Discontinuous Pulse Width Modulation，DPWM) 在任意时刻仅有两相功率器件动作，第三相箝位在特定的电平，这种调制方式减少了功率器件的开关次数，从而降低了开关管的损耗，以此达到光伏逆变器提高效率和降低散热成本的目的，将DPWM调制方式应用到逆变器中也成为新的研究热点。为研究不同工况下SVPWM和DPWM调制方式下损耗差别，本文基于PSIM设计了一种光伏逆变器逆变端的损耗预测仿真模型，该模型可以快速得到功率器件的损耗，为工程师设计散热方式提供数据，加快设计效率。

1 SVPWM基本原理与实现

光伏逆变器逆变端常用的拓扑有T型三电平和I型三电平，为了适应更高的系统电压场合，I型三电平因其功率器件串联分担母线电压从而得到广泛应用，其拓扑结构如图1所示。

图1 I型三电平逆变器拓扑结构

以A相为例，母线电压为Vbus，当开关管Q1a、Q2a导通，Q3a、Q4a关断时，输出电压为Udc/2+，定义电路状态P状态；当开关管Q2a、Q3a导通，Q1a、Q4a关断时，输出电压为0，定义电路状态O状态；当开关管Q3a、Q4a导通，Q1a、Q2a关断时，输出电压为-Udc/2，定义电路状态N状态。三电平逆变器输出共有27个状态，以60°划分区域，分为扇区Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，每个大扇区又可分为 4 小扇区，分别用A、B、C、D表示。其空间矢量图如图2(a)所示。以扇区Ⅰ为例，当参考电压矢量Vref在区域A时，功率器件开关序列为七段式POO—PON—PNN—ONN—PNN—PON—POO如图2(b)，Ts代表采样周期。

图2 SVPWM调制方式示意图

SVPWM算法实现可以按照零序分量注入三相原始调制信号中，ua、ub、uc为原始调制信号，uz为零序分量，表达式分别为：

式中umax、umin为相电压最大值和最小值。

2 DPWM基本原理与实现

DPWM是在SVPWM的基础上舍弃了一个冗余小分量的开关序列，当各扇区箝位相及箝位电平不同，产生了多种 DPWM 策略，主要有：DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMA、DPWMB。其中DPWMA策略共模电压低、输出电能质量好，因此适合在光伏逆变器中应用，其空间箝位模式分布图如图3(a)所示。同样以扇区Ⅰ为例，当参考电压矢量Vref在区域A时，舍弃了ONN小分量，功率器件开关序列为五段式POO—PON—PNN—PON—POO如图3(b)。

图3 DPWM调制方式示意图

参考现有SVPWM的零序电压注入 PWM 调制方式，DPWMA也可将零序分量注入三相原始调制信号中，零序电压uz可以表示为：

3 损耗分析

功率器件IGBT的损耗主要分为导通损耗和开关损耗，导通损耗指的是IGBT在导通过程中饱和压降和电流的乘积。开关损耗指的是IGBT在开通和关断过程中产生的损耗。对比SVPWM和DPWMA可以发现，DPWMA调制方式下功率器件可以减少开关次数，以此达到降低功率器件的开关损耗的作用，而增加的导通损耗可以忽略不计。以A相Q1管为例，在SVPWM调制方式下，其开通损耗和关断损耗分别为：

其中，Eon_Ic(Ion_Q1(t))，Eoff_Ic(Ioff_Q1(t))表示功率器件IGBT在实际电流下的开通、关断能耗，通过该器件的数据手册可以进行拟合；DQ1(t)表示开关管Q1的占空比函数；fsw表示逆变器的开关频率；Tac表示逆变器输出周期。

在上述公式中，SVPWM和DPWMA算法主要影响DQ1(t)占空比函数，该函数为开关占空比函数DQ1SW(t)和单极性调制占空比函数DQ1AC(t)的乘积。其中，

开关占空比函数DQ1SW(t)主要与调制电压、母线电压以及相位有关。指的在时间区间为调制电压，时间区间指的在时间区间在时间区间为调制电压。

4 仿真研究

影响SVPWM和DPWMA调制方式下损耗的差别主要为母线电压和交流电压两个参数。在PSIM环境下，针对SVPWM和DPWMA这两种调制方式在不同工况下进行仿真从而对比开关损耗，功率器件采用Vincotech公司的 30-PT07MIB300S503，开关频率为16kHz，功率为100kW，母线电压和交流电压的仿真参数如表1所示。

表1 逆变器仿真参数

按照 SVPWM 和 DPWM 实现方式对仿真模型进行了搭建，部分损耗仿真模型如图4所示，通过2输入多通路复用器切换两种方式。

图4 损耗仿真模型

将工况1、工况2和工况3的参数代入仿真模型，得到SVPWM和DPWMA调制方式下功率瞬时损耗仿真波形如图5所示，对比峰值电流处，SVPWM调制方式瞬时损耗最大，而 DPWMA调制方式下Q1管处于箝位区间，功率器件无开关动作，损耗几乎为0，该现象也是DPWMA调制方式下损耗降低的直接原因。

图5 各工况瞬时损耗

图6为根据仿真波形得到的平均功率，由仿真可以发现在各种工况下 DPWMA调制方式在降低开关损耗方面的优越性，功率下降可达30%以上。图7为PSIM仿真和计算的对比数据，计算值与仿真值的误差在4%左右，由数据验证了仿真的正确性，可以作为散热设计的参考。

图6 DPWMA和SVPWM调制方式下各工况开关损耗对比

图7 DPWMA调制方式下PSIM和计算损耗数据对比

5 结语

本文首先详细介绍了SVPWM和DPWMA调制方式下的工作原理，利用零序分量注入三相原始调制信号方式进行两种调制方式的实现，分析了不同调制方式下的开关损耗计算，最后针对这两种调制方式在PSIM环境下上进行了仿真模型的搭建，并针对参数母线电压和交流电压的不同工况进行了仿真，仿真结果表明，DPWMA调制方式下的功率器件的开关损耗明显小于SVPWM调制方式，仿真得到的损耗数据与计算后的结果几乎一致，该仿真模型为工程师散热设计提供了基本的数据。