最小开关损耗SVPWM优化方式的研究与仿真

孙 雨，刘文生，刘 畅

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)*

0 引言

空间矢量脉宽调制技术(SVPWM)在电气传动领域已经得到广泛的应用.相比传统的正弦脉宽调制(SPWM)，SVPWM技术具有产生的磁链更逼近圆、输出谐波含量更小、电压利用率更高等优点［1］.但SVPWM控制下的逆变器会产生较大的开关损耗，这也是导致逆变器工作温度过高，甚至烧损的主要原因［2］.通过研究得知，通过对脉宽调制策略的优化可以有效的减小开关损耗.

本文从分析开关损耗计算模型出发，针对提出的几种不同SVPWM控制模式及不同开关点相位，对逆变器开关损耗进行了分析和建模仿真，通过仿真数据找出最小开关损耗SVPWM优化方式.

1 开关损耗线性估算模型

文献［3］总结归纳了常用的几种IGBT损耗的计算模型.其中利用数据手册的线性估算法便于实现和运用.文献［4］提出了一种基于系统仿真的逆变器损耗的估算分析方法.本文在这基础上进行改进，建立了一种更加精确的开关损耗估算模型.

对于180°脉冲型两电平三相逆变器，在PWM调制下每相每次只有一个开关动作.当开关电流iA＞0时，上桥臂切换到下桥臂会产生一次IGBT关断损耗Eoff(忽略二极管开通损耗)，下桥臂切换到上桥臂会产生一次IGBT导通损耗Eon和一次续流二极管反向关断损耗Erec(如图1);当iA＜0时则情况相反［5］.因此A相在一个周期内的功率损耗可表示为:

式中:iA(n)为开关电流，N为载波比.由式(1)得知，影响开关损耗有两个因素，一是开关次数N，二是开关时电流的大小|iA(n)|.

图1 A相开关动作

2 SVPWM原理及相位分析

电压矢量扇形图如图2所示，三相两电平逆变器有8种开关状态对应8个基本电压矢量，分别为 U0、U1、U2、U3、U4、U5、U6、U7，其中 U0、U7为零电压矢量，U1～U6为有效基本电压矢量，并将空间划分成6个扇区，每个扇区内的电压矢量由相邻的两个基本电压矢量合成.

图2 电压矢量扇形图

图3 A相输出相电压和电流

以A相为例(图3)，在负载为感性负载情况下，设电压相位角为0，则电流落后电压φ角度.-φ即为电流的相位角，同时为负载的功率因数角.所以电流的位置由负载功率因数角决定.如果在参考电压为正序三相对称电压，如图2，逆变器输出三相电压 Ua、Ub、Uc分别在 U1、U3、U5处达到峰值即 Uam、Ubm、Ucm，而输出三相电流 Ia、Ib、Ic分别在 Iam、Ibm、Icm处达到峰值.

3 几种SVPWM优化方式及比较

由上述得知，在逆变器各参数一定的情况下，影响逆变器开关损耗的两个因素:一是开关次数即由开关频率决定，二是开关时刻电流的大小，也就是电流与开关的相对位置即由功率因数角决定，这两个因素都可以通过脉宽调制策略来进行控制［6］.

一般情况下，开关频率在等于载波频率.若通过改变调制策略，使开关在一段时间内不动作，就可以实现开关频率小于载波频率从而减小开关频率.文献［7-8］介绍的几种减少开关损耗的SVPWM优化方式都是通过在不同扇区采用不同类型的作用零矢量即(000)矢量或(111)矢量，使每相在360°扇形区中产生120°的开关不动作扇区，来有效的减小1/3开关频率，从而减少1/3的开关损耗.但几种优化方式只考虑开关频率单一因素对开关损耗的影响，没有进一步考虑开关电流因素的影响.因此其中没有最大程度减小开关损耗的优化方式.

当存在开关不动作区的情况下，若通过改变调制策略，使电流最大区域与开关不动作区域尽可能重合，就可以进一步减小开关损耗.文献［9］对最小开关损耗优化方式的进行了理论分析，这种优化方式在减小1/3的开关频率的基础上，控制开关不动作区对称分布在电流峰值两侧，从而进一步在最大程度上减小大约1/2的开关损耗.但文献仅对这种优化方式进行了定性的理论分析，缺少定量的数据分析.

考虑到希望上下桥臂损耗均匀和作用对象大多为感性负载这两点原因，本文选取文献其中几个较为适用的优化方式进行分析和比较.

(1)优化方式1

优化五段式SVPWM调制，交叉零矢量分配.6个扇形区中:1，3，5扇形区采用(111)零矢量，2，4，6扇形区采用(000)零矢量.存在开关不动作区域，开关损耗大小受负载功率因数角影响.则优化方式1的A相开关切换点波形的函数表达式为

开关在整个360度周期内存在两个相对称60°的不动作区域0°～ 60°和180°～ 240°，因此开关频率减小1/3，同时开关损耗受大小负载功率因数角影响.

(2)优化方式2

优化五段式SVPWM调制，交叉零矢量分配.12 个扇形区中:1，4，5，8，9，12 扇形区采用(111)零矢量;2，3，6，7，10，11 扇形区采用(000)矢量.存在开关不动作区域.开关损耗大小受负载功率因数角影响.则优化方式2的A相开关切换点波形的函数表达式为

开关在整个360°周期内存在两个相对称60°的不动作区域 -30°～30°和150°～210°，因此开关频率减小1/3.同时开关损耗大小受负载功率因数角影响.

(3)优化方式3

因为优化方式1、2都是开关位置固定，所以只有当功率因数角φ=30°和φ=0°时，开关不动作区才能对称分布在电流峰值两侧，才能最大程度避开电流最大时刻，达到开关损耗最小.然而实际情况中，负载功率因数角不一定为0°或30°并且不能擅自改变给定负载的功率因数角.因此需要一种不固定开关的位置的通用优化方式，即通过功率因数角来控制扇区分配的位置，使开关不动作区分布在电流峰值两侧，来达到损耗最小［10］，即优化方式3.

优化五段式SVPWM调制，交叉零矢量分配.12 个扇形区中:1，4，5，8，9，12 扇形区采用(111)零矢量;2，3，6，7，10，11 扇形区采用(000)矢量.使每一相有对称60°的开关不动作区，开关频率减少1/3.开关损耗基本不受功率因数角的影响.则优化方式3的A相开关切换点波形的函数表达式为

开关在整个360°周期内存在两个相对称60°的不动作区域φ-30°～30°+φ和150°+φ～210°+φ，因此开关频率减小1/3.开关损耗基本不受功率因数角的影响［11］，始终达到开关损耗最小.

4 仿真结果

利用MATLAB/SIMULINK构建开关损耗损耗估算模型，并对上述几种优化方式进行仿真.参数设置:直流电压 VDC=1 500 V，调制比 m=1.0 ，负载阻抗 Z=10 Ω，负载功率因数 0.92，基波频率fS=50 Hz，载波频率 fZ=1 650 Hz，开关损耗计算中各损耗参数采用永济电机的YMIA1500-33型IGBT功率模块参数:VDCN=1800 V，IAN=1 500 A，Eon=2 600 mJ，Eoff=2 500 mJ，Erec=1 650 mJ.

如图4为四种调制方式A相在一个周期内的功率损耗分布图和输出电流频谱图，可以看出优化方式3调制下，开关不动作区可以尽可能的与电流最大区重合，从而最大程度的减小开关损耗.

图4 功率损耗分布图和输出电流频谱图

表1为不同调制度下，四种方式调制下的开关损耗大小.可知优化方式3可以最大程度的减少开关损耗，最多可减少将近1/2.同时随着调制度的增加，三种优化方式减少开关损耗的能力都不同程度的下降，其中对优化方式3的影响最大.

表2为不同调制度下，四种方式调制下的输出电流畸变率大小.可以看出高调制度时，优化方式调制下的输出电流畸变率低于原SVPWM方式，低调制度时情况相反.因此优化方式在高调制度时更适用.

表1 不同调制度下的开关损耗

表2 不开关波频率下电流畸变率

5 结论

优化方式3在减小1/3开关频率的基础上，通过采用功率因数角决定扇区划分的方法，最大程度的将开关不动作区域落在开关电流最大时刻，从而最大程度的减小大约1/2的开关损耗，达到了最小开关损耗的目的.本文已经通过理论分析和仿真验证证实了这优化方式的正确性和可行性.

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