基于改进虚拟空间矢量的NPC三电平逆变器损耗分析

宋敏，陈权，李国丽，胡存刚

（1.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601；2.高节能电机及控制技术国家地方联合实验室（安徽大学），安徽 合肥 230601；3.教育部电能质量工程研究中心（安徽大学），安徽 合肥 230601）

基于改进虚拟空间矢量的NPC三电平逆变器损耗分析

宋敏1，2，陈权1，3，李国丽2，3，胡存刚2，3

（1.安徽大学电气工程与自动化学院，安徽 合肥 230601；2.高节能电机及控制技术国家地方联合实验室（安徽大学），安徽 合肥 230601；3.教育部电能质量工程研究中心（安徽大学），安徽 合肥 230601）

针对传统虚拟空间矢量算法在实现中点电位全范围可控的同时，增加了元器件开关频率，进而提高了系统损耗导致器件结温升高的不足，提出一种改进的虚拟空间矢量算法，对冗余小矢量的作用时间进行了更加精确的分配，并保证了小区域切换时输出状态平滑过渡，损耗大大低于传统虚拟空间矢量调制，提高了系统效率。仿真及实验验证了该算法的正确性与可行性。

虚拟空间矢量；中点电位；结温；损耗

中点钳位型三电平逆变器自1981年被日本学者提出之后，迅速地被应用于中高压、大功率领域［1］。该拓扑结构与两电平的拓扑结构相比，具有明显的优点，器件承受的电压仅为后者的一半，输出波形得到改善。但是中点电位不平衡却是中点钳位型三电平逆变器的固有问题，针对该问题，许多学者提出了不同的调制策略［2-4］，采用虚拟空间矢量调制是解决该问题的有效方案。传统的虚拟矢量调制策略（VSVPWM）能够实现在不同负载下三电平逆变器对中点电位的完全控制［5］，但由于目前NPC逆变器的主流功率器件为IGBT与快恢复二极管［6］，虚拟矢量的合成，增加了1个开关周期内开关状态的切换次数，增加了元器件的损耗，降低了系统的效率。因此，在保证中点电位平衡的同时恰当处理损耗与热处理及系统效率的关系变得十分重要。本文采用平衡因子以及电压调整系数对小矢量及中矢量进行重新合成，对传统的虚拟矢量在每个大区内全部采用相同首发正小矢量或负小矢量［7］的方法进行改进，在某个扇区的小区域切换时保证输出矢量平稳过渡，利用三电平VSVPWM策略与三电平SPWM策略的调制波等效关系对系统的效率及器件损耗等技术指标进行了分析。

1 虚拟空间矢量调制策略

文献［8］对中点电位不平衡机理进行了分析，通过对中点电流的控制实现对直流侧电容两端电压的平衡控制，即在1个开关周期内，中点的平均电流io为o。

以如图1所示的第Ⅰ扇区为例进行分析。

图1 扇区Ⅰ区域划分Fig.1 The region division of sectorⅠ

1.1 虚拟小矢量

每个小矢量由正负2个小矢量构成，由于它们对中点电位的作用相反，因此，合理地分配比例系数，可以保证中点电位的平衡。以小矢量Vpoo,Vonn为例，构建虚拟小矢量Vs1：

式中：h1为中点电压调节系数，0≤h1≤1。

当h1=0.5时，正负小矢量对中点电位的作用可以相互抵消。

1.2 虚拟中矢量

中矢量对中点电位的影响是最大的，以第Ⅰ扇区的矢量Vpon为例，该矢量对应的中点电流为ib,矢量Vonn,Vppo对应的中点电流为ia,ic。利用小矢量及中矢量合成虚拟中矢量，使其对中点电位的影响最小，以矢量Vpon为例，对应的虚拟中矢量为

式中：h2,h3,h4为中点电压调节系数，h2+h3+ h4=1,0＜h2,h3,h4＜1。当h2=h3=h4=1/3时，在1个采样周期Ts内（Ts一般都很小），三相输出电流之和为0。

由于大矢量与零量大矢量对中点电位没有影响，不予考虑。

2 改进的的虚拟矢量算法

旋转的参考矢量Vref（Vref=m·ejθ,m=3Vref/）的位置由调制度m以及角度θ共同决定，当Vref在不同的扇区切换时，为保证输出电压的平滑过渡，正、负小矢量有时不能成对出现，因此合理地选择开关序列，对于减小损耗变得至关重要。表1为图1扇区中调制度不同时，参考矢量经过的区域。

表1 调制度对应的区域Tab.1 The area corresponding to modulation degree

表1中，序列1、序列2、序列3、序列4分别为

2.1 虚拟矢量

本文在虚拟矢量调制的基础上进行了改进，只对中矢量、小矢量进行虚拟。在第Ⅰ扇区中，对采用两对小矢量VS1,VS2的区域A1,A2,A3,A4，分配了2个时间调节因子r1和r2，同时引入了电压调节系数 f。根据小矢量作用时间t1和t2大小来决定r1和r2，以增强作用时间长的正、负小矢量对中点电流的控制能力。

以参考矢量位于A3区域为例，由电流平衡表达式得：

将式（4）、式（5）带入式（6）得：

同理，根据中点电流平衡表达式，可依次求出当参考矢量位于区域A1,A2,A4时电压调节系数 fA1,fA2,fA4。

式中：fAx（x=1,2,3,4）为小矢量的电压调节系数；t5为中矢量的作用时间。

小矢量的时间调节因子r1,r2由电压调节系数决定。

对中矢量进行虚拟时，令h2=h3=h4=1/3,即：

2.2 占空比的计算

以参考矢量经过A1,A2区域为例分析。在A1区域中，参考矢量由V0,VS1,VS2合成，在A2区域中，参考矢量由VS1,VS2,VVM合成，为 2个区域的过渡相量。，由式（1）、式（4）、式（5）并结合伏秒积平衡原理，可求出矢量对应的作用时间：可由60°坐标系求得；在A2区域中，参考矢量由VVM,VS1,VS2合成，同样可求出矢量VVM对应的作用时间：

上述分析可得到各矢量的作用时间及占空比。

已知矢量的作用时间可以求得占空比dxyz（x=p,o,n；y=p,o,n；z=p,o,n）。

式中：dap为a相p状态的占空比。

同理，o状态，n状态的占空比都可求得。

3 损耗的分析

NPC三电平逆变器的主流器件为IGBT与快恢复二极管。功率器件在逆变器工作时产生的主要损耗有：通态损耗、断态损耗以及开关损耗［9］。随着开关频率的提高，开关损耗及通态损耗成为总功率损耗的主要组成部分。文献［10-12］研究了器件的损耗及散热，由于结温与损耗的相互影响，在损耗的计算中必须考虑结温。下面以NPC三电平拓扑单相为例对损耗进行分模块分析，单相拓扑结构如图2所示。

图2 NPC三电平逆变器单相拓扑结构Fig.2 Single-phase topology of three-level NPC inverter

IGBT的损耗主要由两部分组成：通态损耗（Pcondtlosses）和开关损耗（Pswlosses）

3.1 开关损耗的计算与分析

IGBT在开通和关断的过程中会产生开关损耗，快恢复二极管一般考虑其反向恢复损耗。根据数据手册，可以查得在结温25℃，125℃下的主要参数及部分参数之间的关系图，损耗可由所得参数计算，并通过修正函数进行修正。IGBT的开关损耗计算如下：

式中：Xon,S,Xoff,S（X=A,B,C）为开、关过程能量损耗与负载电流变化关系曲线的二次拟合系数；Dsw,S,Ksw,S分别为测试电压Ubase、测试结温Tbase（一般为125℃）的修正系数。Tvj,T为IGBT结温。

1个开关周期内，IGBT的平均开关损耗为

根据IGBT在1个调制周期内的n次开关过程计算其开关损耗，即

式中：T为调制周期。

二极管的反向恢复损耗计算如下：

式中：Arec,Di,Brec,Di,Crec,Di分别为二极管开关能量损耗与负载电流变化关系曲线的二次拟合系数；Drec,Di,Krec,Di分别为测试电压Ubase、测试结温Tbase（一般为125℃）的修正系数。Tvj,Di为二极管结温。

1个开关周期内，二极管的平均反向恢复损耗为

所有器件的功率损耗可根据上述公式算求得。

3.2 通态损耗计算及分析

通态损耗的产生主要与功率器件初始饱和压降和导通电阻有关。将结温对损耗的影响考虑在内，功率器件的初始饱和压降、导通电阻可表示为

式中：V0,Y_25℃,RY_25℃（Y=S或D，S表示IGBT，D表示快恢复二极管）分别为25℃结温下器件的初始饱和导通压降和等效导通电阻；KV0,Y,KR,Y分别为V0,Y_25℃,RY_25℃的温度修正系数；TVj,Y为器件的实际结温。

通过对电流的实时采样，规定电流方向由逆变器流入负载的方向为正，反之电流方向为负。元器件的通态损耗计算如下：

4 仿真与实验

4.1 仿真分析

采用2种电力电子仿真软件混合仿真，在PLECS电力电子仿真软件下搭建了NPC三电平变流器的主电路，在Matlab/Simulink仿真环境下搭建了功率器件的驱动电路。该仿真分别对传统的VSVPWM以及改进的VSVPWM调制下系统的损耗以及效率、单个功率器件的结温进行了校验分析。

通过查阅IGBT的数据手册可以得到开关损耗与结温的关系曲线［8］，如图3所示。

图3 IKW75N60T的开关损耗与结温的关系Fig.3 Typical switching energy losses as a function of junction temperature of IKW75N60T

结合图2，以A相为例，对不同模块的损耗进行了计算与比较。表2为损耗以及效率仿真结果。

表2 调制方式下系统损耗及效率比较Tab.2 The losses and efficiency comparison of the system under different modulation methods

从表2可以看出，当调制度及功率因数相同时，改进的VSVPWM总的损耗约为传统VSVPWM损耗的一半。传统VSVPWM调制方式下，通态损耗占总损耗的29.5%，开关损耗占70.5%；改进的VSVPWM调制方式下，通态损耗占总损耗的81.2%，开关损耗占18.8%。同时，改进的VSVPWM效率比传统的VSVPWM高出了0.2%。由于改进的VSVPWM减少了状态的切换，因此通态损耗增大，开关损耗降低。

图4为在PLECS电力电子仿真软件下测得的A相所有功率器件2种调制方式下的开关损耗与导通损耗。图4中，Pswlosses为开关损耗，Pconlosses为导通损耗。通过图4可明显看出，改进的VSVPWM调制方式下器件的通态损耗及开关损耗都明显减小。对图4测得的数据求平均值后，与表2的数据基本吻合。

图4 A相桥臂的开关损耗与导通损耗Fig.4 Switch losses and conduct losses of phase A

图5为2种调制方式下单个功率器件（S22）结温的变化。通过对以上结温的变化曲线比较可以看出，改进的VSVPWM调制方式下，单个功率器件的结温低于传统的VSVPWM。

图5 不同调制方式下单个器件的结温Fig.5 Junction temperature of power devices under different control strategies

4.2 实验分析

为了验证改进的VSVPWM控制策略能够减小系统损耗，搭建了实验装置。相关实验参数为：输入直流电压200 V，开关频率2 000 Hz，直流侧电容1 μF，调制方式VSVPWM，调制度0.8，控制芯片DSP+FPGA，功率因数0.95，IGBT模块型号IKW75N60T。

在逆变器运行过程中，功率器件损耗与器件结温相互影响，器件损耗的测量存在一定的难度。由于器件结温可以反映损耗的大小，因此在实验过程中，使用红外热像仪对功率器件结温进行测量，如图6所示。实验结果表明，改进的VSVPWM调制方式的结温要低于传统VSVPWM调制方式，进而证明了前者的损耗小于后者。

图6 不同调制方式下单相功率器件的结温Fig.6 Junction temperature of power devices under different control strategies of one phase

5 结论

本文分析了二极管钳位型3电平的虚拟矢量控制策略，并对其进行改进，对开关管的开关损耗、通态损耗进行了分析与计算。对传统的VSVPWM和改进VSVPWM进行仿真，得到了2种调制方式下的损耗波形以及平均值，仿真结果表明改进的VSVPWM要比传统VSVPWM效率高出将近2%，同时开关损耗所占的比例明显降低。在此基础上，搭建实验平台对仿真结果进行了验证。

［1］Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A New Neutral-point-clamped PWM Inverter［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，1981，IA-17（5）：518-523.

［2］宋文祥，陈国呈，丁肖宇.基于两类脉宽调制方式本质联系的三电平逆变器中点电压平衡控制的研究［J］.电工技术学报，2005，20（12）：53-58.

［3］Jiang Weidong，Du Shaowu，Chang Liuchen，et al.Hybrid PWM Strategy of SVPWM and VSVPWM for NPC Three-level Voltage-source Inverter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（10）：2607-2619.

［4］范必双，谭冠政，樊绍胜，等.一种新的基于混合空间矢量调制的三电平逆变器直流侧电容电压平衡研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（27）：135-141.

［5］Busquets-Monge S，Bordonau J，Boroyevich D，et al.The Nearest Three Virtual Space Vector PWM-A Modulation for the Comprehensive Neutral-point Balancing in the Three-level NPC Tnverter［J］.IEEE Power Electron.Lett.，2004，2（1）：11-15.

［6］陈权，王群京，郑常宝.三电平变换器PWM控制通态损耗分析［J］.电气传动，2009，39（11）：38-41.

［7］胡存刚，王群京，李国丽，等.基于虚拟空间矢量的三电平NPC逆变器中点电压平衡控制方法［J］.电工技术学报，2009，24（5）：100-107.

［8］Oscar Alonso，Luis Marroyo，Pablo Sanchis，et al.Analysis of Neutral-point Voltage Balancing Problem in Three-level Neutral-point-clamped Inverters with SVPWM Modulation［C］//Industrial Electronics Society，IEEE 2002 28th Annual Conference，2002，2：920-925.

［9］Bierhoff M H，Fuchs F W.Semiconductor Losses in Voltage Source and Current Source IGBT Converters Based on Analytical Derivation［C］//PESC2004，Aachen，Germany，2004，4：2836-2842.

［10］王群京，陈权，姜卫东，等.一种降低三电平逆变器开关损耗的PWM方法［J］.电气传动，2007，37（3）：26-29.

［11］蔡红军，唐圣学，张晓冲，等.NPC三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法［J］.电力电子技术，2015，49（4）：10-14.

［12］景巍，谭国俊，叶宗彬.大功率三电平变频器损耗计算及散热分析［J］.电工技术学报，2011，26（02）：134-140.

［13］IKW75N60T，Infineon Technologies，IGBT Datasheet，May.2006.［0nline］Available：http：//www.infineon.com.

Analysis of Losses in Three-level Neutral Point Clamped Inverter Based on Improved Virtual Space Vector Algorithm

SONG Min1，2，CHEN Quan1，3，LI Guoli2，3，HU Cungang2，3
（1.College of Electrical Engineering and Automation，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China；2.National Engineering Laboratory of Energy-saving Motor&Control Technology，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China；3.Power Quality Engineering Research Center of China Ministry，Anhui University，Hefei 230601，Anhui，China）

The traditional virtual space vector algorithm achieves the balance of the neutral-point potential complete control over full ranges，but it increases the switching frequency of devices，and the device junction temperature is rised because of the increasing loss of the system.Based on the questions occured，an improved virtual space vector algorithm was proposed，assigned the action time of redundancy small vectors more precise，and ensured a smooth transition of output state during the switch，which not only made the fluctuation of neutral-point voltage small，but also got lower losses and higher system efficiency than the traditional virtual space vector modulation.Simulation and experimental results verify the correctness and validity of the algorithm.

virtual space vector；neutral-point voltage；junction temperature；losses

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161006

2015-09-02

修改稿日期：2016-03-17

安徽省自然科学基金（1308085ME81）；安徽省高校自然基金（KJ2013A011）

宋敏（1990-），女，硕士研究生，Email：Smin67@163.com