摘要:
针对使用碳化硅的两电平和三电平逆变器,首先阐述了逆变器的损耗组成及碳化硅材料的MOSFET和二极管的损耗计算方法;进而分析了两电平和三电平逆变器的导通规律及损耗计算方法;最后结合工程实际应用,从开关损耗、导通损耗、效率等方面对两电平和三电平逆变器进行比较。所得结论为两电平的导通损耗小,而三电平的开关损耗小,在开关频率较高的场合下三电平逆变器比两电平逆变器的总损耗小、效率高。
引言
电力传输、新能源的开发利用和电能质量控制等均用到逆变器的转换功能,借助其逆变电路实现电能传输、能源入网和供电质量控制。常用的逆变器拓扑结构可分为两电平和三电平。两电平结构简单,而三电平拓扑结构有很多形式,国内最为流行的有二极管钳位型三电平拓扑结构、H桥级联型三电平拓扑结构和飞跨电容型三电平拓扑结构等。目前,绝大多数的逆变器采用的功率器件 都是以半导体硅作为基础材料的,而新兴的碳 化硅材料相比于半导体硅材料有很多优越的物理特性;除此之外,碳化硅器件所具有的体积小、重量轻、抗氧化寿命长和输出功率高的特点,使其呈现出逐步替代单晶硅的趋势,一旦其工艺问题得到解决,碳化硅将成为远优于单晶硅的理想半导体材料。
逆变器应用广泛,其效率问题也日益受到关注。基于半导体硅器件的两电平和三电平的损耗和效率已有学者进行了详细的分析。碳化硅器件的损耗与硅器件的损耗不同,碳化硅二极管的反向恢复电流和反向恢复时间可减少至硅二极管的1/5~1/6,从而近似认为碳化硅二极管无反向恢复损耗。文献[11]使用Silvaco-TCAD仿真软件设计了40kV碳化硅晶闸管,并对该器件的静态和动态特性进行了仿真,证明碳化硅器件代替硅器件使得单阀的损耗大大减小。文献[1 2]分别研制了基于碳化硅和硅器件的两台相同规格的三相桥式逆变器,并在不同工况下测试逆变器的功率损耗,测试结果证明碳化硅器件在高温、高压、高开关频率条件下功率损耗小。但目前尚无针对碳化硅器件的两电平和三电平的损耗分析和效率比较。
本文分析计算了基于碳化硅器件的二极管钳位三电平拓扑与传统两电平拓扑逆变器的损耗,包括功率开关器件导通损耗、开关损耗等;在此基础上以1 2kVA/380V输出逆变器的应用为背景,比较了不同开关频率下基于碳化硅器件的三电平与两电平拓扑的效率和损耗。
1、损耗分析
1.1、逆变器损耗组成
逆变器的损耗一般可以分为开关器件损耗和无源器件损耗。开关器件损耗又可分为金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)损耗PT和反并联二 极管损耗PD。PT主要包括:通态损耗PT,con、开通损耗PT,on和关断损耗PT,off。开通损耗PT,on和 关断损耗PT,off之和称为开关损耗PSW,即
反并联二极管损耗PD主要包括:反并联通态损耗PD,con和反向恢复损耗Pr,即
无源器件损耗PLC主要包括滤波电容损耗PC和滤波电感损耗PL,故总损耗
文献[18]对滤波电感的损耗进行了分析,本文不再进行讨论,仅对开关器件的损耗进行讨论。
1.2、开关器件损耗分析
碳化硅MOSFET的通态电压可根据器件数据表提供的电压饱和特性曲线得到,其饱和压降VT和通态电流IC的关系为
式中:RT为MOSFET的导通电阻;VOT为MOSFET初始饱和压降。
碳化硅MOSFET的通态损耗
式中:fo为调制电压频率;τ(k)为第k个开关周 期时间占空比;IC(k)为第k个开关周期平均负载电流;p和q分别为器件在一个调制周期内开始工作和结束工作的采样周期;Ts为开关周期。
碳化硅MOSFET的开关损耗可以通过利用二次函数ESW(IC(k))拟合器件数据表中的开关损耗曲线来计算,即
式中:aSW、bSW分别为函数系数;cSW为常数。
碳化硅二极管忽略反向恢复损耗,因此二极管的损耗就等于其反并联通态损耗,即
式中:RD为二极管的导通电阻;VOD为二极管初始饱和压降。
一般认为当开关频率较大时,离散的损耗表达式可转化为连续的积分形式,此时,式(5)—(7)可分别改写为式(8)—(1 0),即:
式中:D(θ)为调制函数;θ1—θ6为与器件的具体导通情况有关的相位;θ为调制函数的相位;fSW为导通频率;IC(θ)为电路调制时的负载电流。
导通损耗与器件的导通压降、流过器件的有效电流和功率因数有关。开关损耗及反向恢复损耗由器件的开关频率、每个开关状态的电压和电流及器件的开通关断特性决定。
1.3、两电平逆变器损耗分析
两电平逆变器拓扑如图1所示。其中,ua、ub和uc分别为逆变器输出的三相电压,ia、ib和ic分别为逆变器输出的三相电流,Udc为直流侧电容电压,T1—T6为绝缘栅双极性晶体管,D1—D6为二极管,C1和C2为直流侧电容,R为电阻,规定图中所示的电流方向为正方向。
由于三相电路三个桥臂的损耗相同,为便于计算,对图1中的A相桥臂进行损耗分析(如图2所 示)。
当电流为正时,若T1开通,则电流由C1流 过T1,逆变器输出电压为正,若T1关断,则电流由C2流过D2,逆变器输出电压为负;当电流为负时,若T2开通则电流流经T2到C2,逆变器输出电压为负,若T2关断,电流将流经D1到C1,逆变器输出电压为正。
根据负载电流和输出电压的方向,可以将一个工频周期分为四个区域:Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ,如图3所示。
参考调制电压和负载电流分别为:
式中Im为负载电流最大值。
文献[19]中第2章阐明了空间维数脉冲宽度调制(SVPWM),SVPWM可以近似采用空间脉冲宽度调制(SPWM)方法中正弦参考调制电压加入三次谐波来等效,因此在SVPWM方法下
式中h为调制度。
将式(11)—(13)分别代入式(8)—(10)中,可以得到T1的导通损耗和开关损耗及D1的导通损耗:
由于上下桥臂对称,两电平逆变器功率器件的总损耗
1.4、三电平逆变器损耗分析
二极管钳位三电平逆变器,又称为中性点钳位型三电平逆变器,其拓扑如图4所 示。其中,T7—T12为绝缘栅双极性晶体管,D7—D18为二极管,规定图中所示的电流方向为正方向。
由于钳位二极管的作用,每相桥臂可以输出正电平、零电平、负电平三种状态。为方便起见,对图4的A相桥臂进行损耗分析(如图5所示)。
在图5(a)中,ia为负(参见图4),即ia流入变流器,当输出正电平时D1和D2导通,而当输出零电平时T3和D6导通;在图5(b)中,ia为正,即ia流出变流器,当输出正电平时T1和T2导通,而当输出零电平时D5和T2导通;在图5(c)中,ia为正,当输出负电平时D3和D4导通,而当输出零电平时D5和T2导通;在图5(d)中,ia为负,当输出负电平时T3和T4导通,而当输出零电平时T3和D6导通。
同样地,图6给出了三电平逆变器电流、电压一个工频周期内四个划分区域。
器件T1、T2的导通损耗PT1,con、PT2,con及开关损耗PT1,SW、PT2,SW,器件D1、D2、D3的导通损耗PD1,con、PD2,con、PD3,con分别表示如下:
由于上下桥臂对称,三电平变频器在SVPWM方法下的总损耗
2、损耗比较
本文所分析的逆变器损耗是基于以下参数和应用条件:输入直流电压为600V;输出三相交流电压为220V;交流频率为50Hz;输出三相功率为12kVA;功率因数为0.9;开关频率分别为50kHz、100kHz、150kHz、200kHz、250kHz、300kHz。三电平和两电平逆变器均采用SVPWM调制方式。
根据上述计算公式,用MATLAB软件可算出三电平和两电平逆变器在相同给定应用件下的损耗和效率。三电平逆变器所用的MOSFET型号为SCT3060AL(650V/39A),两电平逆变器所用的MOSFET型号SCT2080KE(1200V/40A),工作温度均为25℃。
表1给出了在调制度h为0.5,电流有效值I分别为15A、20A、25A和30A的情况下,两电平和三电平逆变器的总损耗Ptotal。
表2给出了在调制度h为0.5,电流有效值为20A,开关频率分别为50kHz、1 00kHz、150kHz、200kHz、250kHz和300kHz的情况下,两电平和三电平逆 变器的开关损耗PSW、总损耗Ptotal及效率η。
图7对两电平和三电平逆变器损耗进行了比较。
在图7(a)中,三电平的开关损耗比两电平小,且随着开关频率的升高,三电平和两电平的开关损耗相差就越大,原因是三电平拓扑中每个功率管只承受一半的直流电压,而两电平拓扑中每个功率管要承受全部的直流电压。如图7(b)所示,三电平拓扑的导通损耗比两电平拓扑大,且随着逆变器功率P的增大三电平拓扑的导通损耗相比于两电平拓扑导通损耗的差额越大,这是因为三电平拓扑中电流流过的功率器件数目多。图7(c)为逆变器总损耗比较,可以看出三电平拓扑逆变器的总损耗比两电平的小。如图7(d)所示为逆变器效率比较,其中,三电平逆变器的效率比两电平高,且随着开关频率的升高,三电平的优势越大。
表3给出了三电平损耗、效率与负载阻抗角φ的关系,其中,开关频率为100kHz,调制度h为0.5,电流有效值为30A,负载阻抗角φ从-150°变化到180°。可以看到:三电平损耗和效率是关于0°对称的,且随着cosφ的减小,它的总损耗增大、效率降低;而且,二极管通态损耗随功率因数的减小而增大,MOSFET的通态损耗随功率因数的减小而减小。
表4给出了三电平损耗与调制度之间的关系,其中,开关频率为100kHz,电流有效 值为30A,负载阻抗角为25°,调制度h从0.1变化到0.8(在此不讨论过调制的情况)。从表4可以看出,三电平总损耗随着调制度的增大而增大(开关损耗不随调制度变化而改变),而二极管的通态损耗随调制度增大而减小,MOSFET的通态损耗随调制度增大而增大。两电平与三电平的逆变器损耗类似,在此不作赘述。
3、结束语
通过对碳化硅器件的二极管钳位三电平和两电平逆变器的损耗分析,本文得出:三电平逆变器比两电平逆变器的导通损耗大,但三电平的开关损耗显著减少,而且在开关频率较高的应用场合,三电平逆变器的效率更高。
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