NPC三电平逆变器PWM时降低损耗的研究

摘要：在大功率应用场合中，逆变器开关器件的损耗问题一直是制约其性能提高的因素之一。其损耗可分为通态损耗和开关损耗。讨论了这两种损耗的计算方法，并提出一种降低开关损耗的PWM方法，即SLMPWM。给出了调制度和功率因数角变化时，传统SPWM和SLMPWM策略的损耗分布区面。可见，在很大范围内，PWM策略能将开关损耗降低约一半。最后，给出了这两种调制策略谐波特性的比较，可见，SLMPWM调制策略的谐波特性与SPWM基本一致，不会由于等效开关次数降低而导致谐波特性变差。
关键词：逆变器；脉宽调制；谐波

1 引言
自多电平电路拓扑面世以来已逐渐成为解决高压大容量电能变换最有效的方案。多电平(包括三电平)结构已在如高压(中压)交流电机传动、FACTS、电网质量管理和电网无功补偿和吸收等多个领域得到了广泛应用。在三电平变流器中应用的主流器件是大功率、高压电力电子器件(例如IGCT或HVIGBT)及快恢复二极管，它们在变换器工作时要产生通态损耗、断态损耗和开关损耗，其中开关损耗是器件损耗的主要部分。
多电平逆变器的特点之一是半导体器件相对较多，在对多电平通态损耗的研究中，文献提出混合四电平拓扑功率损耗计算，文献对级
联式多电平通态损耗进行了研究，该方法可用在假设输出电流为正弦波情况下，调制算法具有确定关系式的通态损耗计算。
这里提出一种能够有效降低开关损耗的调制方法。该方法对于通态损耗影响不大，但能将开关损耗降低一半左右。分析比较传统SPWM算法与改进调制方法的谐波特性，得出两者谐波特性基本一致，故改进算法能在保持SPWM谐波特性的基础上，有效地降低NPC三电平逆变器的损耗。

2 逆变器拓扑结构及PWM原理
图1示出NPC三电平电压源逆变器的主电路拓扑。开关器件选择5SHZ08F6000型IGCT，相配套的快恢复二极管FRD选择5SHZ08F6004。逆变器每相有4个带有反并续流二极管的功率管和2个箝位二极管。当VS1，VS2或VD1，VD2导通时，输出Udc，记作1电平；当VDc1，VS2或VDc2，VS3导通时，输出电平零，记作0电平；当VS3，VS4或VD3，VD4导通时，输出-Udc，记作-1电平。

NPC三电平逆变器的调制方法，较多采用基于载波的PWM(SPWM)方法和空间电压矢量调制(SVPWM)方法。已有文献证明，通过合理注入零序电压，SPWM与SVPWM存在等效关系，因此对于SVPWM相关问题的分析可通过构造等效的SPWM载波信号来获得。
当逆变器的调制波为标准三相正弦交流信号时，相电压峰值为Um，定义逆变器的调制度m=πUm／(4Udc)，SPWM的m最大值为0．785，而SVPWM的m最大值为0．907。按采样周期内调制波uk和ik的符号(规定电流由逆变器流向负载的方向为正)，可将导通和换流分为4种模式，如图2所示。

当uk>0，ik>0时，这种导通与换流模式记为模式1。采样周期内电平将会在1和0电平之间切换，如图2a所示。输出1电平时间k,1=ukTs ／Udc，此时VS1，VS2导通，输出0电平时间tk,0=(1-uk／Udc)Ts，此时VDc1，VS2导通。参与导通的器件为VS1，VS2，VDc1，而开关动作的器件为VS1，VDc2。