NPC三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法

第４９卷第４期　２０１５年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ　２０１５　ＮＰＣ三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法　蔡红军，唐圣学，张晓冲，李志刚　（电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室，河北工业大学，天津３００１３０）　摘要：针对中点电压箝位（ＮＰＣ）三电平逆变器器件损耗分布不均导致器件结温不均衡问题，通过对逆变器工作　状态、空间矢量脉宽调制（ＳＶＰＷＭ）进行分析，提出了基于零矢量时间非均衡分配的损耗分布调节方法。此处给　出了非均衡零矢量分配调制下的损耗计算方法．以及基于主损耗器件损耗均衡优化目标的零矢量分配系数的　求解方法。实例计算表明所提方法能有效调节主损耗器件的损耗分布。　关键词：逆变器；损耗；零矢量分配系数　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１５）０４—００１０—０５　Ｌｏｓｓ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｂａｌａｎｃｅ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｉｎ　ｆｏｒ　ＮＰＣ　Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ＣＡＩ　Ｈｏｎｇ－ｊｕｎ，ＴＡＮＧ　Ｓｈｅｎｇ—ｘｕｅ，ＺＨＡＮＧ　Ｘｉａｏ－ｃｈｏｎｇ，ＬＩ　Ｚｈｉ－ｇａｎｇ　（Ｐｒｏｖｉｎｃｅ—Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　Ｊｏｉｎｔ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ａｐｐａｒｔｕｓａ　Ｒｅｌｉｂｉａｌｉｔｙ，　Ｈｅｂｅｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１３０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ　ｊｕｎｃｔｉｏｎ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｌｏｓｓ　ｕｎｅｑｕａｌ　ｄｉｓｔｒｉｂ－　ｕｔｉｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ｎｅｕｔｒａｌ　ｐｏｉｎｔ　ｃｌａｍｐｅｄ（ＮＰＣ）ｉｎｖｅｒｔｅｒ，ａ　ｌｏｓｓ　ｂａｌａｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｂｙ　ａｄｊｕｓｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｄｕｔｙ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｚｅｒｅ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｓｔａｔｅｓ　ａｎｄ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｐｕｌｓｅ　ｗｉｄｔｈ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＶＰ－　ＷＭ）．Ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｉｓ　ｓｉｖｅｎ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｚｅｒｏ　ｖｅｃｔｏｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｚｅｒｏ　ｖｅｃｔｏｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｉｃｉｆｅｎｔｓ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂｙ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍａｉｎ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ｌｏｓｓ　ｂａｌ—　ａｎｃｅ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ．ｈｅ　ｅｘａｍｐｌＴｅ　ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　Ｃａｎ　ｅｆｉｃｉｆｅｎｔｌｙ　ｒｅｇｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｌｏｓｓ　ｄｉｓｔｒｉ—　ｂｕｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｄｏｍｉｎａｔｅｄ　ｌｏｓｓ　ｄｅｖｉｃｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｌｏｓｓ；ｚｅｒｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｏｅｍｃｉｅｎｔｓ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏａｅｄ　ｂｙ　Ｎａｉｔｏｎａｌ　Ｎａｔｕｒｌａ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｃｈｉｎａ（Ｎｏ．５１４７７０４０，５１３７７０４４）；ｈｅＴ　Ｄｏ－　ｃｔｏｒａｌ　Ｐｒｏｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｉｔｏｎ（Ｎｏ．２０１２１３１７１１０００８）　１　引　言　ＮＰＣ三电平逆变器广泛应用于谐波成分低、　耐高压、大功率的场合【”。逆变器中的开关器件、　续流二极管因所在位置、逆变器换流模式和负载　性质不同，产生的损耗往往相差很大，导致部分器　方法。文献［４】通过仿真结温分布和查表方法，提　出了一种结温平衡前馈控制方法。但上述两种方　法需计算器件结温，计算量大，结温存在延时。通　过改变从脉宽调制（ＰＷＭ），文献【５］提出了一种损　耗平衡控制方法。在此基础上，文献［６】通过在线　切换不同调制策略，提出了一种ＰＷＭ结温平衡　控制方法。　以上研究成果主要针对ＡＮＰＣ逆变器损耗调　节问题．无法应用于传统ＮＰＣ逆变器。ＡＮＰＣ逆变　件结温过高，容易产生热应力损坏。损耗均衡控制　通过调节器件电流和电压工作时间而改变器件间　的损耗分布。进而减少热应力的损伤。　通过采用并联开关器件方式。德国学者提出　了有源ＮＰＣ（ＡＮＰＣ）三电平电路，采用增加冗余零　电压的方法调节功率器件损耗分布，实现结温平　衡控制【２］。文献［３］详细分析了ＡＮＰＣ冗余状态调　节结温原理．进而提出了一种结温平衡反馈控制　基金项目：国家自然科学基金（５１４７７０４０，５１３７７０４４）；教育　部博士项目（２０１２１３１７１１０００８）　定稿日期：２０１４一ｏ６一Ｏ３　器通过增加有源开关器件调节损耗平衡，实现成　本高；并且多数采用模拟ＰＷＭ方法，不利于数字　化实现，实时性差。实际上，ＮＰＣ三电平逆变器自　身就存在冗余零电压状态，充分利用这些冗余状　态，也能适当调节损耗分布和器件结温。针对传统　ＮＰＣ三电平逆变器．此处分析了在ＳＶＰＷＭ策略　下工作状态的换流模式和损耗计算方法，在此基　础上利用ＮＰＣ自身冗余零矢量，通过合理分配零　矢量工作时间．提出一种损耗均衡的调制控制策　略。该方法实现成本低、便于数字化实现。　作者简介：蔡红军（１９８６一），男，河北保定人，硕士研究生，　研究方向为电力电子与电力传动。　１０　ＮＰＣ三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法　２功率模块损耗　三电平逆变器主电路由ＩＧＢＴ器件和快速恢　复二极管构成。功率器件损耗分为导通损耗和开　／＼　．　关损耗。ＩＧＢＴ导通时存在饱和压降和导通电阻，　因而会产生通态损耗。ＩＧＢＴ开关周期内导通能　Ｕ　（ｏｏ　量损耗为：　Ｅ。。ｎ＝　。。ｎ（∞　）　。。ｎ（∞　）６　为饱和导通压降；６为占空比；　为开关周期。　淹　）　（１）　式中：ｕ￣（ｏｔｔ），　（ｔｏｔ）为导通电压与电流，ｕ　＝　＋ｒ　Ｊ　Ｉ，　１）　＼Ｄ／　Ｖ　（ｏ　０—１／１）　。　开关过程中，ＩＧＢＴ会产生开通损耗　和关　断损耗　，一次开关总能量损耗为：　＝　＋如＝（Ａｉ％Ｂｉ＋Ｃ）（　／　（　）　（２）　式中：Ａ，Ｂ，Ｃ为能量损耗的电流拟合系数，Ａ＝Ａ　＋Ａ　，　＝　＋　，ｃ＝ｃ叽＋　；　为测试电压；ｐＴ（　）为温度修正系数，　当Ｔ＝１２５℃时，ＰＴ（Ｔｊ）＝Ｉ。　在一个调制周期内，功率器件的能量损耗为：　ｉ　（Ａｉ２＋Ｂｉ＋Ｃ）（　／　（　）（３）　式中　为开关频率。　箝位二极管和续流二极管均采用快速恢复二　＝芋㈩　极管，其通态损耗计算方法与ＩＧＢＴ方法相同。快　速恢复二极管的开通损耗很小，可忽略不计。快速　恢复二极管的关断损耗为：　Ｅ　＝（Ａ　＋　十　）（　）ｐＴ（　）　（４）　３　ＳＶＰＷＭ三电平逆变器损耗分析　图１为ＮＰＣ三电平逆变器的主电路．每一相　电路由４个功率开关管、４个续流二极管和２个　箝位二极管构成。　，　ｖｃ　＝ｌ｝　　Ⅵ　ｖｖｏｏ　ａ：　ｖｏ　ｖｃｖｏｏ。ｃ　－　＝ｆ　＂　Ⅷ　ｌ　ＶａＪ４　本ｖＤ　４　ｖｂＪ４　２ｋｖＤｂ４　ＶｃＪ４　本ｖＤ。４　图１　ＮＰＣ三电平逆变器主电路　Ｆｉｇ．１　Ｍａｉｎ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ＮＰＣ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　令开关函数为Ｓｙ（ｙ＝ａ，ｂ，ｃ），当　＝　／２时，　＝１；当　为零时，　＝０；当　＝一ＵＪ２时，Ｓｙ＝＇ｌ；　则ＮＰＣ三相逆变器合成输出电压矢量　（｜ｓ。，Ｓｂ，　Ｓｏ）＝　（Ｊｓ　＋ａＳｈ＋ａ２Ｓｏ）１２，其中ｏｔ＝ｅｘｐ（ｊ２＂ｒｒ／３）。组合　三相开关状态（Ｓ　，　，｜ｓ。），可得ＮＰＣ合成输出电压　矢量２７种状态，对应的空间矢量图如图２所示．　图中　（　，ｓｈ，Ｓｏ）（ｙ＝１，…，１８）为矢量编号。零矢　量指矢量模值为　／２（如　。）或为零（如　）。　图２　ＮＰＣ三电平逆变器空间矢量图　Ｆｉｇ．２　Ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＮＰＣ　ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　表１给出部分区间的合成电压矢量ＳＶＰＷＭ　的矢量发送顺序。其中，　为负载阻抗角，Ｋ为调　制系数，Ｋ＝２　　ＩＩ／（、／了　），ｌ　Ｉ为参考矢量的　模值，０２＝＇ｎ／３一ａｒｃｓｉｎ［１／（２Ｋ）］。三电平逆变器具体　的ＳＶＰＷＭ原理可参考文献，此处不再赘述。　表１　导通期间（　。订＋　）的矢量发送顺序　Ｔａｂｌｅ　１　Ｏｕｔｐｕｔ　ｓｅｑｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｖｅｃｔｏｒｓ　ｄｕｒｉｎｇ（　－订＋ｐ）　Ｄ　（＇ｎ／３，＇ｒｒ／３＋Ｏｚ）　ＵｌＮ￡，７　ＵｌＰ￡，８￡，７　ＵＩＮ　２　Ｃ　（＇ｎ／３＋０２，２＂ａ＇／３－０２）Ｕ１Ｎ　１Ｐ　￡，７　１Ｎ　Ｂ　（２￣ｒ／３－０２，２￣／３）　根据端口电压和电流流向，一个调制周期内　逆变器工作过程可为４种模式【　。通过对４种模　式中电压方向和电流流向及调制策略进行分析．　可得出一个调制周期内器件的损耗情况。　以ａ相为例，ＮＰＣ逆变器在（　，订一６）２）期间工　作于模式２，输出电压在零和　／２之间切换。当　输出电平为　／２时，Ｖ　。，Ｖ　会产生通态损耗；当　输出电平为零时，Ｖ　，ＶＤ　产生通态损耗，电流换　流过程中Ｖ　。承受反压，产生开关损耗，ＶＤ　不承　受反压，不产生反向恢复损耗。同理可知。逆变器　在（１Ｔ一　，叮ｒ＋　）期间工作于模式３，此时Ｖ　，ＶＤ　，　ＶＤａ３，ＶＤ　产生通态损耗，Ｖ　，ＶＤ　产生开关损耗。　其他情况分析类似，需强调的是损耗受到　和　的影响　第４９卷第４期　２０１５年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ　２０１５　４损耗均衡控制策略　４．１　损耗均衡的调制策略原理　表１中ＳＶＰＷＭ是传统的对称７段调制模　式。７段调制模式每次矢量的变换只改变一个开　关器件。不存在同一桥臂上“＋１”与“一１”之间的切　换，避免了２个串联的开关管同时开通或关断、调　制矢量突变，减少了开关次数。图３所示为１大扇　形区Ｃ小三角区（１Ｃ）的矢量时间分配关系，其中　图３ａ为传统的７段调制模式矢量时间分配关系．　图３ｂ为所提出的损耗均衡的矢量时间分配关系。　正　（ａ）传统的矢量平均分配调制　；一　一　—ｒ一　一．Ｉ一　一卜瓦　：　２起　垒　：　！　：　：　芏　：　！！　：　１　：ｆ　二　。　（ｂ）损耗均衡矢量平均分配调制　图３矢量时间分配关系　Ｆｉｇ．３　Ｄｕｔｙ　ｔｉｍｅ　ｏｆ　ｓｐａｃｅ　ｖｅｃｔｏｒ　由图３ａ可知。传统ＳＶＰＷＭ方法采用平均分　配零矢量调制时间．会导致开关器件产生的损耗　差别很大。以ａ相１Ｃ分区为例，此时逆变器工作　于模式２；输出电压为　，２时Ｖ　，Ｖ正导通，导通　时间为　１８＋　＋ｔ。　（　为　对应的时间）；输出电压　为零时，ＶＤ　，Ｖ　导通，导通时间为ｔ　。由此可见，　一个　内，Ｖ　ｌ导通时间为ｔ１８＋　＋ｔ１Ｐ，Ｖａ２导通时间　为整个周期　。Ｖ　的导通时间比Ｖ　长，产生的损　耗也多。其他损耗情况可类似分析。　传统ＳＶＰＷＭ中零矢量作用时间平均分配会　导致器件损耗差别较大．故此处提出一种零矢量　作用时间非均匀分配方法，如图３ｂ所示。图３ａ中　两个零矢量　和　的作用时间相同，即　＝　。　在图３ｂ中，延长　作用时间，则相应的提高了　Ｖ　导通时间，缩小了与Ｖ　导通时间的差距，从而　缩小损耗差距。因此，可通过合理分配零矢量的作　用时间来调节功率器件损耗分布。　４．２均衡调制算法的实现　损耗调节的任务是确定零矢量时间分配系　数。此处只调整　和　的分配时间，其他矢量　分配时间不变。　和　的总时间为ｔ６＝ｔ印＋　，令　１２　的分配系数￣＝ｔｄｔ　，则ｔ矾的作用时间为（１　）・　ｔ　。为获取合理的　，需先获取功率器件的损耗计　算公式，然后根据损耗计算公式建立损耗均衡的　目标函数。进而通过求取目标函数获取分配系数。　此处主要以ａ相为例，由于三电平逆变器结　构和调制策略具有对称性．其他相的零矢量的分　配系数是相同的。　４．２．１　逆变器调制周期内损耗计算　由逆变器ＳＶＰＷＭ原理可知．Ｋ决定逆变器参　考矢量工作区间。进而确定电压矢量及其作用时　间；负载功率因数ｃｏｓ　确定工作模式，它们共同　决定着功率器件损耗。下面以ｃｏｓ￣ｐ＝０．９，Ｋ＝０．８为　例，说明调制周期内的导通损耗计算方法。此时，　逆变器工作于每个大扇区的ＢＣＤ小区间。如图２　所示。逆变器在（　，１Ｔ＋　）之间的电压矢量发送顺　序如表１所示，其他发送顺序类似可得。　由上述可知，区间（　，叮ｒ＋　）又可分为（　，１Ｔ一　）　和（１Ｔ一０２，１Ｔ＋　），在区间（　，１Ｔ一　）逆变器工作于模　式２，在区间（１Ｔ一　，１Ｔ＋　）逆变器工作于模式３。区　间（　，１『一６）２）由７个分区间组成，每个区间的矢量　占空比由下式确定。　ｆ　１一（１　）（１－２Ｋｓｉｎ０），０∈（　，＂ｒｒ／３－０２）　ｌ　１－（１－￣）［２－２Ｋｃｏｓ（￣ｒ／６－－０）］，０∈（　—　，ａｔ／３）　　ｌ１－（１－－￣）（２－２Ｋｓｉｎ０），０ｅ（￣ｒ／３，　）ｕ　（　）＝｛　（２＂ｔｒ／３－０２，２，ｒｒ／３）　ｌ　１－２Ｋｓｉｎ（６Ｌ＿　）　ｓｉｎ６Ｌ＿１，０∈（＇ｒｒ／３＋０２，２＂ｒｒ／３－－０２）　ｌ￣２－２Ｋｓｉｎ（５＂ｒｒ／６－－０）］＋２Ｋｓｉｎ０－－１，０Ｅ（２＂ｔｒ／３，２＇１１＂］＇３＋０２）　Ｉ，￣ｌ－２Ｋｓｉｎ（０－－２＂ｒｄ３）］，０ｅ（２＂ｒｒ／３＋０２，　２）　（５）　表２为Ｖ　的导通损耗。　表２　Ｖ　的导通损耗　Ｔａｂｌｅ　２　Ｃｏｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　形编号工作区间　损耗公式　Ｃ１＝一　，ｍｌｃｏｓｗｔｃｏｓ￣ｐ－　ｉｎｗｔｓｉｎｔｐ＋ｒ，ｍ２［ｔｏｔ／２－ｓｉｎ（２ｗｔ）／４］ｃｏｓ２￣ｐ—　ｒ，ｍ２ｓｉｎ２ｗｔｓｉｎ￣ｃｏｓｔｐ＋　［ｔｏｔｌ２＋ｓｉｎ（２ｗｔ）／４］ｓｉｎ２￣ｏ；Ｃ２＝ＵｏＩｍ［ｗｔｌ２一　ｓｉｎ（２ｔｏｔ）／４］ｃｏｓ￣ｏ一　ｉｎ２ｔｏｔｓｉｎ￣ｐ／２＋　［ｃｏｓ３ｔｏｔ／３－ｃｏｓＷｔ］ｃｏｓ２￣一　２ｒ／２ｓｉｎ　￡ｓｉｎ　ｃ０婶，３一　Ⅱ２ｃ０ｓ　商ｎ　，３；Ｃ３＝　ｉｎ２ｔｏｔｃｏｓｔｐ／２－Ｇｏ・　，ｍ［ｔｏｔｌ２＋ｓｉｎ（２ａｎ）／４］ｓｉｎｔｐ＋ｒ，Ⅱ　ｎ　ｆｃｏｓ　，３＋２ｒ，ｍ２ｕｕｓ３∞　ｓｉ　ｃ０　／　３＋ｒ，ｍ２（ｓｉ删一ｓｉｎ３　，３）ｓｉｎ２ｔｐ。　ＮＰＣ三电平逆变器损耗计算及均衡控制算法　以１Ｃ区间为例，Ｖ　的通态损耗为：　ｆ３＿ｅ　算方法计算其损耗．ＩＧＢＴ的导通压降为１．０５　Ｖ．　Ｅ。。　ｌｌｌｏｄ。ｃ＝［　ｃ１＋２ＫＣ２（１一　）】ｌ　在一个调制周期内，Ｖ　导通损耗为：　３　Ｂ　（６）　导通动态电阻为４．２３７　ｍＱ：二极管的导通压降为　０．９４６　Ｖ，导通动态电阻为２．９３４　ｍＱ。表３为ＩＧＢＴ　模块开关参数。图４为开关周期的计算结果与器　Ｅ　ｖ．１＝　∑∑Ｅ　…　（７）　件Ｄａｔａｓｈｅｅｔ数值的比较图。可见，该计算方法能　¨Ｊ　１　ｌ　Ｕ　由表２可见，Ｅ　．是　的一次函数。　在（　，叮ｒ一　）区间，Ｖ　每个采样周期只换流１　次。因此开关损耗为：　Ｐ．ｖ　】＝Ｉｆ，／（２订）ｌｏＴ【（Ａ，ｍ２／２＋Ｃ）　Ｉｍ２ｓｉｎ（２Ｗｔ－　）／　４－ＢｌｍｃｏＳ（∞　一　）］Ｉ。‘　（８）　在（　，１Ｔ一　）区间，Ｖ　工作于模式２，通态损　耗计算方法与式（６）一样，但因Ｖ　一直处于导通　状态，所以此区间内相当于　１。在（１Ｔ一　，　＋　）区　间，Ｖ　工作于模式３，令此区间下Ｖ　的零矢量分　配系数为　，其通态损耗计算方法与式（６）一样，　开关损耗计算方法与式（８）相同。　４．２．２　ＮＰＣ三电平损耗优化策略　功率管损耗由导通损耗和开关损耗组成，因此　Ｖ　－的损耗　＝Ｐｓｗｖ　。＋‰　，　为　的一次函数。　同理，Ｖ　的损耗Ｐｖ也是　的一次函数。受功　率因数和调制系数影响，有时Ｖ　。，Ｖ　不是产生损　耗的主要器件。如当功率因数较低时，ＶＤ　可能超　曲曲曲　拟Ａ昱口合　拟拟　∥过Ｖ　成为损耗产生的主要源（称ＶＤ　为主损耗器　件，其损耗称为主源损耗）。同理，经过分析与计算，　可知ＶＤ　的损耗同时受　，　影响，是　，　的二元　一　曦吣　一次函数，调节　，　也可改变ＶＤ　的损耗分布。　为了使主源损耗尽可能均匀分布，采用如下　的目标函数来求取零矢量分配系数。　Ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｇ（　，　）＝ｌ　一尸　Ｉ　ｓｔ　，　∈【０．０５，０．９５】（９）　理论上，零矢量分配系数取值为【０，１］。为了　防止２个串联的开关管同时开通或关断、矢量突　变及考虑到ＶＤ　。，ＶＤ　的延迟导通时间，取　∈　【０．０５，０．９５］。根据式（９）和损耗为　的一次函数的　特点，可解出模式２，３下的　，　。以ｃｏｓ￣＝０．９，　＝　０．８为例，Ｐｖ　１＝６１８．８７２＋３７２．１１　，Ｐｖａ２＝１　００３．７８６＋　６１．４５　，ＰⅧ。５＝４５２．３１８－２７７．６８３￣＋４７．１９３￣　，ｅｗ　】＝　３０．３８１　９＋１１．９　，ＰｖＤ　２＝ｌ１．１４３　７＋１１．９　。分析上　述功率器件损耗易知，Ｖ　。，Ｖ　为主损耗器件。将　Ｐｖ　和Ｐｖ　代入尸ｖ　表达式，求解可得　，　。　５　实例分析　以ＦＦ３ＯＯＲ１７ＫＥ４型ＩＧＢＴ为例，在结温１２５　ｃＩ＝，　测试电压为９００　Ｖ条件下。采用所提出的损耗计　较好地获取器件损耗。　表３　ＩＧＢＴ模块开关参数　Ｔａｂｌｅ　３　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒ　ｏｆ　ＩＧＢＴ　ｍｏｄｕｌｅ　３００　２５０　２００　ｌ　５０　ｌＯＯ　５Ｏ　０　ｉ￣ｏｎ／Ａ　图４器件开关周期损耗计算结果　Ｆｉｇ．４　Ｌｏｓｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ａ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｅｒｉｏｄ　为了说明损耗调制算法的有效性。以某三电　平逆变器为例，参数为：线电压有效值１　１２０　Ｖ，负　载电流峰值８４８．频率２　ｋＨｚ，负载输出频率５０　Ｈｚ，调制系数０．　　４　Ａ，直流母线电压１　８００　Ｖ，开关　８，　环境温度４０℃。此处分别计算功率因数ｅｏｓ￣ｐ为　娥０．９和０．２时的　。当ｃｏｓ￣＝０．９时，区间（０．４５１　０２，　２．　７６９　５３）的　＝０．９５，区间（２．７６９　５３，３．５９２　６）的　＝　０．０５；当ｃ０ｓ　＝０．２时，区间（１．３６９　４４，２．７６９　５）的　＝０．０５，区间（２．７６９　５，４．５６０　８）的　＝０．０５。３种功　率因数下的损耗结果如表４，５所示。　表４　ｃｏｓ￣ｐ＝０．９时损耗　Ｔａｂｌｅ　４　Ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ｃｏｓ￣＝０．９　所提出的控制方式　传　导通损耗开关损耗器件损耗　导通损耗开关损耗器件损耗　Ｖ　７０１．２７２　９　２７１．１０４　５　９７２．３７７　４　５３３．８２　２７１．１０４　５　８０４．９２４　５　Ｖｄ　９５７．０３７　４９．８２２　１　００６．８５９　９８４．６９３　３　４９．８２２　１　０３４．５１５　ＶＤ。ｌ　１１．７４２　７　１９．２３８　２　３０．９８０　９　１７．１３３　７　１９．２８　３６．４１３　７　ＶＤｎ　１１．４２７　０　儿．４２７　１７．１３３　７　０　１７．１３３　７　ＶＤ　１９０．８７８　５　３０．３５８　５　２２１．２３７　３３７．ｏ７３　２　３０．３５８　５　３６７．４３１　７　总损耗１　８７２．３５８　３７０．５２３　２　２　２４２．８８１　１　８８９．８５４　３７０．５６５　２　２６０．４１９　表５　ｃｏｓ￣，＝Ｏ．２时损耗　Ｔａｂｌｅ　５　Ｌｏｓｓｅｓ　ｏｆ　ｃｏｓ￣ｐ＝０．２　所提出的控制方式　传　导通损耗开关损耗器件损耗　导通损耗开关损耗器件损耗　Ｖｌｌ　７６．４３５　１３２．３９１　２０８．８２６　８３．８２７　１３２．３９１　２１６．２１８　Ｖ　５０３．９７　１８８．５３６　６９２．５ｏ６　６４８．Ｏ４４　１８８．５３６　８３６．５８　ＶＤ。ｌ　２０４．５２１　６２．０６　２６６．５８１　２８２．１４９　６２．０６　３４４．２Ｏ９　ＶＤ　２０４．５２１　０　２０４．５２１　２８２．１４９　０　２８２．１４９　ＶＤ　４１０．６６１　４８．９８４　４５９．６４５　４０７．７３　４８．９８４　４５６．７１４　总损耗１　４００．１０８　４３１．９７１　１　８３２．０７９　１　７０３．８９９　４３１．９７１　２　１３５．８７　１３　／第４９卷第４期　２０１５年４月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４９，Ｎｏ．４　Ａｐｒｉｌ　２０１５　ｃｏｓ￣＝０．９时，主损耗器件为Ｖ　，和Ｖ止，采用所　实用价值。该方法只对零矢量分布进行调节．能否　提出控制方式的二者损耗之差为３４．５　ｗ，传统的　损耗之差为２２９．５９　Ｗ。当ｃｏｓ￣＝０．２时，Ｖ日２和ＶＤ日５　为主损耗器件，采用所提出的控制方式损耗之差为　２３２．８６１　Ｗ，传统损耗之差为３８０　Ｗ。由此可见，该　对非零矢量进行调节及损耗分布目标函数优化构　建是值得进一步深入研究的问题。　方法能有效调制主损耗器件的功率分布。改善了　主功率管损耗不均衡问题。　负载相同时，非均衡调制的逆变器总损耗（所　有损耗之和）比传统方式下的总损耗略低，ｃｏｓ￣＝０．９　时，所提出控制方式总损耗为２　２４２．９　Ｗ，传统方　法为２　２６０．４　Ｗ，相差１８．５　Ｗ；ｃｏｓ￣＝０．２时，所提出　参考文献　［１］ＲＯＤＲＩＧＵＥＺ　Ｊ，ＬＡＩ　Ｊ－Ｓ，ＰＥＮＧ　Ｆ　Ｚ．Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ：　Ａ　Ｓｕｒｖｅｙ　ｏｆ　Ｔｏｐｏｌｏｇｉｅｓ，Ｃｏｎｔｒｏｌｓ，ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ】．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００２，４９（４）：７２４—　７３８．　【２］　ＢＲＵＣＫＮＥＲ　Ｔ，ＢＥＭＥＴ　Ｓ．Ｌｏｓｓ　Ｂａｌａｎｃｉｎｇ　ｉｎ　Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ　Ｖｏｈａｇｅ　Ｓｏｕｒｃｅ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　Ａｐｐｌｙｉｎｇ　Ａｃｔｉｖｅ　ＮＰＣ　Ｓｗｉｔｃｈｅｓ［Ａ］．　ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　控制方式总损耗为１　８３２．１　Ｗ，传统方法为２　１３５．９　Ｗ。　二者相差３０３．８　Ｗ。此外，最大损耗器件的损耗比　传统调制下产生的损耗也要相对低，ｃｏｓ￣＝０．２时。　Ｖ　为最大损耗器件，所提出调制的损耗为６９２．５　Ｗ。　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ［Ｃ］．２００１：１１３５－１１４０．　［３】　ＢＲＵＣＫＮＥＲ　Ｔ，ＢＥＲＮＥＴ　Ｓ，ＧＵＬＤＮＥＲ　Ｈ．Ｔｈｅ　Ａｃｔｉｖｅ　ＮＰＣ　ＣｏｎｖｅＮｅｒ　ａｎｄ　Ｉｔｓ　Ｌｏｓｓ－ｂａｌａｎｃｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．　ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２００５，５２（３）：８５５－６８．　【４】　ＢＲＵＣＫＮＥＲ　Ｔ，ＢＥＲＮＥＴ　Ｓ，　ＩＥＩＭＥＲ　Ｐ　Ｋ．Ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ　Ｌｏｓｓ　Ｃｏｎｔｏｌｒ　ｏｆ　Ｔｈｒｅｅ－ｌｅｖｅｌ　Ａｃｔｉｖｅ　ＮＰＣ　Ｃｏｎｖｅ￣ｅｍ［Ｊ］．　传统损耗为８３６．６　Ｗ，且功率因数越小，这两种效　果越明显。可见，在器件热阻、环境温度相同时，所　提出的调制方法带负载容量将有所增大。　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７，４３（６）：１５８８—　１５９６．　６　结　论　针对三电平空间矢量脉宽调制逆变器损耗分　布不均问题，分析了逆变器空间矢量脉宽调制损　耗分布产生不均的原因。得出可通过调制零矢量　分配时间调节器件产生的损耗，进而提出了一种　【５］　ＦＬＯＲＩＣＡＵ　Ｄ，ＦＬＯＲＩＣＡＵ　Ｅ，ＧＡＴＥＡＵ　Ｇ．ｈｒＴｅｅ—ｌｅｖｅｌ　Ａｃｔｉｖｅ　ＮＰＣ　ＣｏｎｖｅＮｅｒ：ＰＷＭ　Ｓｔｒａｔｅｇｉｅｓ　ａｎｄ　Ｌｏｓｓ　Ｄｉｓｔｒｉ－　ｂｕｔｉｏｎ［Ａ］．ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉ—　ｃｓ［Ｃ］．２００８：３３３３－３３３８．　［６］　谭国俊，景　巍．有源箝位三电平变频器及其结温平　衡控制［Ｊ］．电工技术学报，２０１２，２７（２）：９７—１０２．　基于优化损耗均衡目标的零矢量分配系数的损耗　［７］景４０．　巍，谭国俊，叶宗彬．大功率三电平变频器损耗计　调节方法。实验结果表明：所提方法能有效调节损　耗分布，提高逆变器带负载能力，因此具有较高的　算及散热分析［Ｊ】．电工技术学报，２０１１，２６（２）：１３４—　（上接第９页）　方法及其应用研究［Ｊ】．电工技术学报，２００４，１９（１）：　１６—２０．　实验波形与仿真基本一致。验证了基于ＢＰ神　经网络的开关角求解方法的有效性。ＢＰ神经网络　的测试样本在０。一９０。范围内。即连续开关模式下　计算得到，可实现不同ｍ切换时的平滑过渡。　【２］陈金平，贺昱曜，巨永锋，等．三电平逆变器ＳＨＥＰＷＭ　牛顿下山法求解研究［Ｊ】．电力电子技术，２０１３，４７（９）：　８—１０．　［３】叶满园，蔡１３－１５．　鸿，李宋．基于同伦算法的多电平逆变　６　结　论　在实现特定谐波消除脉宽调制控制技术时，　使用遗传算法通过优化的方法求取有限个调制度　对应的开关角．再通过构造反向传播神经网络模　型．依靠神经网络的泛化能力实现整个调制度范　器ＳＨＥＰＷＭ控制技术［Ｊ］．电力电子技术，２０１４，４８（２）：　［４］王群京，陈权，姜卫东，等．多元多项式理论在ＮＰＣ　逆变器消谐中的应用研究［Ｊ】．中国电机工程学报，２００７，　２７（７）：８８—９３．　［５】王群京，胡存刚，李国丽．基于遗传算法的三电平逆变　围内开关角的计算。该方法充分利用了反向传播　神经网络的非线性映射能力，可应用于实时控制。　仿真和实验验证了该方法的有效性。　器ＳＨＥＰＷＭ方法的研究［Ｊ】．中国科学技术大学学报，　２００９，３９（８）：８４８－８５２．　【６】Ｔｏｌｂｅｒｔ　Ｌ　Ｍ，Ｃａｏ　Ｙ，Ｏｚｐｉｎｅｃｉ　Ｂ．Ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ　Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ　Ｈａ－　ｒｍｏｎｉｃ　Ｍｉｎｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｉｎｖｅｒｔｅｍ　Ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ　ｔｏ　Ｓｏｌａｒ　Ｐａｎｅｌｓ　Ｕｓｉｎｇ　Ａｒｔｉｉｆｃｉｌａ　Ｎｅｕｒｌａ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ａｎｇｌｅ　Ｇｅ—　参考文献　［１】张艳莉，费万民，吕征宇，等．三电平逆变器ＳＨＥＰＷＭ　１４　ｎｅｒａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ．ｏｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１　１，　４７（５）：２１１７—２１２４．