多电平逆变器的开关损耗降低技术及其仿真研究

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报3（2016）398一种改进开关损耗降低技术的扩展双输入双输出三电平Z源逆变器N.B. 德什穆克河你好，M.M.Waware，D.S.更印度Sangli Walchand工程学院电气工程系接收日期：2016年3月14日;接收日期：2016年7月5日;接受日期：2016年7月20日2016年8月11日在线发布摘要多电平逆变器（MLI）是一种成熟的技术，用于工业应用，由于低输出总谐波失真（THD），高功率处理能力和低有源器件额定值。双输出逆变器是一个最近的趋势与逆变器拓扑结构的专门应用。本文研究了三相三电平双输入双输出逆变器的最小有源器件数拓扑。开关数量的减少导致损耗的减少并提高可靠性。由于中性点电流纹波保持在较低水平，因此两个输入源平等地共享功率为了进一步降低开关频率较高时的开关损耗，最近提出了“无开关区”或间断脉宽调制（DPWM）的概念本文提出了修改的位置“无开关区”，这项研究还提出了新的图形方法来分析损耗降低及其对输出THD的影响采用正弦脉宽调制（SPWM），无需复杂的计算，就能获得满意的开关损耗降低效果此外，所提出的拓扑被推广到提供双输出在更高的电压水平。可以看出，随着能级数目的增加，组分减少现象变得更加明显在MATLAB软件环境下对该变换器进行了仿真，并给出了仿真结果.© 2016 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：双输入双输出三电平逆变器;损耗区;1. 介绍多电平逆变器是目前高压大功率工业应用的首选根据输出电压的电平、输入/输出的数量和有源半导体器件的数量，这些都是级联多电平逆变器，广义*通讯作者。电子邮件地址：nbd. gmail.com（N.B. Deshmukh），vrthombare@gmail.com（R.D. bare）。电子研究所（ERI）负责同行评审。http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2016.07.0032314-7172/© 2016电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398399命名法符号列表L-L线t线SW1至SW9 IGBT开关SW10至SW27双向IGBT开关M1方法1M2方法2M3方法3Vs1电压源1 Vs2电压源2 Vs3电压源3 Vs4电压源4 C1和C2电容器L1和L2电感器VR、VY、VB三相电压多电平变换器/逆变器拓扑及其对其他拓扑的衍生（二极管箝位、飞跨电容、模块化多电平变换器和Marx多电平变换器等）（Peng等人，2010;Mittal等人，2012年）。单输入双输出九开关逆变器，可以独立控制两个三相负载的幅度和频率（Kominami和Fujimoto，2007年）。提出了一种双输入双输出Z源逆变器（Dehghan等人，2010年）的报告。该逆变器可以用两个直流电源控制两个交流负载。提出了一种九开关三电平Z源逆变器，其减少了开关的数量并保留了诸如升压和低谐波含量的能力（Masoudian和Farjah，2013）。提出了一种具有两个三相三电平输出的新型逆变器（Haruna和Hoshi，2014）。该逆变器可驱动两台三相电压的永磁同步电动机，具有较小的电压和电流谐波失真和每个开关器件的电压应力。提出了处理具有不同频率的两个AC输出的相位和幅度的单DC源逆变器（Scott等人，2014年）。然而，上面提到的拓扑不能提供双输出和线到线三电平电压，具有如表1所示的最小开关数。随着开关频率的提高，开关损耗在总损耗中占主导地位。有两种方法可用于降低开关损耗。第一种方法是采用新型开关技术，如零电流开关（ZCS）或零电压开关（ZVS），需要额外的硬件。另一种降低开关损耗的方法是使用先进的PWM控制技术，如选择性谐波消除和空间矢量脉宽调制（SVPWM），这些技术需要复杂的数学计算。介绍了一种用于三电平逆变器的新的PWM方法，该方法具有降低开关损耗的能力（Kaku例如，1997年）。提出了降低开关损耗的闭环PWM技术，以降低开关损耗，表1不同MLI拓扑的比较。多电平逆变器拓扑O/P数量O/P电压电平（L-L）号有源器件二极管箝位MLI（Peng等人，2010;Mittal等人，2012年）1312剥皮电容器MLI（Peng等人，2010;Mittal等人，2012年）1312级联MLI（Peng等人，2010;Mittal等人，2012年）1324广义MLI（Peng等人，2010;Mittal等人，2012年）1318九开关逆变器（Kominami和Fujimoto，2007）229改进的九开关逆变器（Dehghan等人，（2010年）229九开关三电平逆变器（Masoudian和Farjah，2013）139三电平双驱动逆变器（Haruna和Hoshi，2014）2321三电平Marx逆变器（Scott等人， 2014年度）23和215三电平逆变器2315400N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398Fig. 1.提出了双输入三电平双输出逆变器。感测负载功率因数角（Chaturvedi等人， 2011年）。基于载波的中性点电位（NPP）调节器被设计为有效地降低三电平逆变器的开关损耗，而不需要任何复杂的数学表达式（Chaturvedi等人， 2014年）。描述了一种用于三相电压源逆变器的新颖的随机化控制策略（Trrynadlowski等人， 1997年）。 在这种控制策略中，一个隐式的不对称调制功能的结果，在逆变器中的开关损耗减少了约一半，与那些使用经典的空间矢量脉宽调制方法。提出了一种扩展的双输入双输出三电平逆变器拓扑。为了获得三电平输出电压，在传统的九开关逆变器中通过在源和九个开关之间连接六个双向开关来进行拓扑修改，如图1所示。Z源与源和建议的逆变器集成，以提供如图所示的直流链路的降压-升压操作。 二、功率开关的减少将降低系统成本，提高效率以及可靠性。比较不同的MLI拓扑结构相对于没有。的输出，线到线输出电压电平和没有。 所需有源器件的数量见表1。为了提高系统效率，最希望降低开关损耗;因为在较高的开关频率下，开关损耗变得占主导地位。采用正弦脉宽调制技术控制所提出图二.提出了一种带Z源网络的双输入三电平双输出逆变器。N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398401−图三.使用修正正弦波和三角波产生开关信号。转换器.“无开关区”的概念是最近提出的。研究人员将60 Ω的“无开关区”/“死区”置于基波负载电压和基波负载电流的峰值处（Kaku等人，1997;Chaturvedi等人，2011，2014;Trrynadlowski等人， 1997年）。这些方法的缺点是：在负载电压峰值处设置“无开关区”时，输出THD最小，但开关损耗对于低功率因数负载，降低并不显著。如果在负载电流峰值处设置研究提出了在基波负荷功率峰值处设置“无开关区”的优化方案阻抗源网络（ZS）及其应用不是作者 为了进一步澄清，请读者查阅（Siwakoti等人，2015年a、b）。2. 建议逆变器的控制技术该拓扑的控制技术是九开关双输出逆变器和九开关三电平逆变器的控制技术的组合这里有两个修改的正弦波和两个三角波（每相）用于比较。上正弦波总是与上三角波相比较低正弦波总是与低正弦波相比较。利用两个频率为调制正弦信号频率三倍的正弦包络产生直通状态。当上三角波大于上包络时，或者当下三角波小于下包络时，应用直通（ST）状态（Siwakoti等人，2015年a、b）。这里，当上正弦波大于上三角波时，SW 1导通。当下正弦波小于下三角波时，SW7导通。提供给SW4的脉冲是提供给SW1和SW7的脉冲的逻辑XOR提供给SW 10、SW 13的脉冲是相同的，并且它们是通过提供给SW 1和SW 7的脉冲的逻辑NOR在直通状态的情况下，SW 1至SW 9闭合，SW 10至SW 15断开。 图图3（A）示出了基于正弦载波比较的逆变器相的切换。 图图3（B）示出了在“无切换区”中基于正弦载波比较的逆变器相的切换。3. 开关损耗计算考虑绝缘栅双极晶体管（IGBT）电压VCE和电流IE的开关波形，对应于导通和关断时间。在从导通到关断的每次转换期间，反之亦然，晶体管根据开关波形同时具有高电压和电流瞬时功率损耗PSW（t），402N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398见图4。基本负载电压无开关区。晶体管是VCE和IE的乘积。然后，一个基波波形的开关功率损耗由等式给出。（一）1PSW（t）=2VinIo（tC（on）+tC（off））fs（1）其中，tC（on）和tC（off）是与IGBT电压和电流相关的上升和下降时间，Vin是转换期间开关所见的直流链路电压，Io是流过开关的负载电流，fs是开关频率（Mohan，2003年）。4. 开关损耗开关频率选择是开关损耗和输出谐波性能之间的折衷。在这些情况下，非常希望通过使用“无开关区”的适当放置来减少开关损耗为了降低开关损耗，在基波的每半个周期内插入“无开关”区。在特定开关的采用该方法，逆变器每相可连续导通120Ω，其中60Ω为正半周，负半周为60mA这个方法1：基波负载电压峰值。方法2：基波负载电流峰值。方法3：基波负载功率峰值。这里，所以有六个由于这样的放置，SW 1到SW 3和SW 7到SW 9的切换减少了16.66%的周期; SW 4到SW 9的切换减少了SW6和SW10至SW15减少了33.33%的循环。“无开关区”的位置由图1和图2给出。 4-6分。转换期间开关两端的电压将始终保持不变;假设为1 p. u。(per单位）。由开关提供的负载电流将以正弦方式变化这些量的乘积将直接N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398403图五.基本负载电流无开关区。见图6。基本负载功率无开关区。与在一个基本周期中发生在开关中的开关功率损耗成比例，如从等式2所看到的（一）. 如果考虑功率与时间的乘积，则可以得出结论，开关中的瞬时能量损耗的性质等效于功率曲线以时间轴包围的面积的净幅值。这一基础用于比较损失。当插入“无开关区”时，开关功率损耗将被导通损耗所取代，因为开关持续导通。与极高开关频率和低负载电流应用中的开关损耗相比，因此，“无开关区”中的总损耗从X轴功率曲线所包围的总面积减去“无开关区”下的面积，得到与一个基本周期中的开关能量损耗成比例的面积。它被称为该特定方法的损失面积。比较了方法1、方法2和方法3的损失面积，如图1和图2所示。7 -9分别。具有最小损耗面积的方法在降低开关损耗方面将是最有效的由于“无开关区”对称地放置在基波的正半部分和负半部分，404N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398见图7。 方法1的损失面积。见图8。 方法2的损失面积。见图9。 方法3的损失面积。N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398405222222仅限于正半周。借助于波形的对称性，可以扩展计算。设θ为基波负载电压超前基波负载电流的角度对于θ60θ，传统SPWM方法的损耗面积称为A1y（x）=1 sin（x−θ）（2）A1=2Σ∫πθx−θYDX0（三）方法1的损失面积为=2A1−2π/3π/3x（四）方法2的损失面积为=2A1−（（π/2）+θ）+（π/6）（（π/3）+θ）−（π/6）x（五）方法3的损失面积为=2A1−（（π+θ）/2）+（π/6）（（π+θ）/2）−（π/6）x（六）、当θ> 60°时，设传统SPWM方法的损耗区域为A2A2=2Σ∫πθx−θYDX0（七）方法1的损失面积为=2A2−2.2π/3θx−θπ/3ydxΣΣ（八）方法2的损失面积为=2A2−π（（π+θ）/2−（π/6）x−（（π+θ）/2+（π/6）πydxΣΣ（九）方法3的损失面积为=2A2−（（π/2）+（θ/2））+（π/6）（（π/2）+（θ/2））−（π/6）Ydθ（十）现在，根据负载功率因数的变化，在固定的开关频率下，电压和电流保持恒定在1 p.u.，比较三种方法的有效性。 图 10显示了当方法2的损失面积被认为是100%时，每种方法的损失面积百分比。显示了60°滞后功率因数角到60°超前功率因数角的变化。5. 损耗降低方法对输出THD调制信号是输出基波电压的真实复制品。因此，认为输出电压THD与调制信号的THD成正比。这里，输出电压的载波频率分量被忽略，因为载波频率对于所有损耗降低方法都保持恒定。图11显示了当负载和其∫∫∫∫∫∫Σ∫∫Σ∫Σ406N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398他电路参数保持相同时，每种方法的输出THD百分比（Y轴）变化显示60°滞后功率因数角到60°超前功率因数角。N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398407见图10。方法1（M1）、方法2（M2）、方法3（M3）的比较。见图11。方法1（M1）、方法2（M2）和方法3（M3）的比较。6. 建议的转换器结构所提出的双输出转换器可以被看作是在基本的九开关拓扑结构中插入双向开关以增加输出中的电压电平这些开关连接到直流链路的中点，以确保输出电压波形中的电压阶跃的幅度相等。这一概念可以通过进一步划分直流链路和连接每个点到每个输出的双向开关图中显示了五电平（线间电压为九电平）双输出概念。 12个。 直流链路现在被分成四个相等的部分，并插入双向开关以增加输出电压电平。类似地，所提出的概念在理论上可以扩展到形成N个双输出结构。随着水平的提高，组件数量的减少变得更加显著。如果五个级别的双输出是由二极管钳位的概念，48个开关和大量的钳位二极管将需要产生。如果要通过飞跨电容概念产生五电平双输出，则需要48个开关和大量飞跨电容。所提出的结构仅使用27个有源开关来实现相同的输出电压。五电平结构的控制是第二节所讨论的SPWM技术的扩展。 三电平结构需要两个修正正弦波和两个载波信号来控制有源开关的一个相位。五电平结构需要两个修正正弦波和四个载波信号来控制一个相位的有源开关。这四个载波信号是同相的，具有相等的幅度，并且将被间隔开以便形成连续的频带。这种控制技术还可以随着电压电平的数量继续增加，P型开关状态（对电容器的充电效应）和N型开关状态（对电容器的放电效应）的分布因此，可能需要额外的计算工作或额外的电路来平衡DC链路电容器电压，这对于多电平逆变器结构来说也不是新的。408N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398图12个。一种扩展的双输入五电平双输出逆变器。图十三.输出1的线电压和电流（无ZN.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398409见图14。输出2的线电压和电流（无Z图15.线电压和电流与M3（输出1，ZS）。图16.线电压和电流与M3（输出2，ZS）。7. 模拟参数和结果本文中使用的仿真参数如下：输入电压Vs 1和Vs 2均为100 V，负载功率因数（RL负载）为0.866。Z源网络的电感和电容分别为3mH和1开关频率（fs）为10 kHz，逆变器的输出频率为50 Hz。两个输出的调制指数均为0.93。所提出的方法的双输入双输出三电平逆变器的仿真结果如下所示。 图图13和图14分别示出了没有Z源网络的输出1和输出2的三电平线到线输出电压及其三相电流。 图图15和图16示出了输出1的三电平线到线输出电压，410N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398图17.输入侧直流链路电容器电压。图18.五电平线间电压和电流输出1.图19.五电平线间电压和电流输出2.输出2分别与Z源网络及其三相电流。图17示出了输入侧DC链路电容器电压。由于P型开关状态和N型开关状态在每个基波周期中均匀分布，因此中性点纹波保持较低图图18和图19示出了没有Z源的输出1和输出2的五电平线间电压，并且其三相电流分别具有每个电压源（Vs1、Vs2、Vs3和Vs4）为400 V。8. 结论本文提出了一种扩展的双输入双输出三电平逆变器，具有最少开关数。通过在适当的位置设置“无开关区”来降低开关损耗分析了开关损耗N.B. Deshmukh等人/Journal of Electrical Systems and Information Technology 3（2016）398411通过传统的“无开关区”的位置减少， 从图 10，很明显，所提出的方法的损耗降低性能接近于方法2，而方法2给出最小的开关损耗性能。 从图 11，很明显，所提出的方法的输出谐波性能介于方法1和方法2之间，而方法1给出了最小的输出THD。此外，所提出的拓扑被推广到提供双输出在更高的电压水平。可以看出，随着能级数目的增加，组分减少现象变得更加明显。尽管有几个优点，提出的拓扑遭受的缺点，如低DC链路利用率和较高的设备额定值，这是不是新的组件最小化拓扑。所提出的转换器在可再生能源电网集成、工业驱动和家用电器中具有独特的优势，例如高功率处理能力、增加的电压水平和降低的开关损耗以及开关数量。引用Chaturvedi，P.K.，贾恩，S.，阿加瓦尔，P.，2011年。三电平箝位二极管的降低开关损耗脉宽调制技术。 IETPowerElectron.4（4），393-399。查图维迪贾恩，S.，阿加瓦尔，P.，2014年。载波式中性点电位调节器，降低了三级二极管箝位式逆变器的开关损耗。IEEETrans.Ind.Electron.61（2），613-624.Dehghan，S.M.，Mohamadian，M.，Yazdian，A.，Ashrafzadeh，F.，2010年。一种双输入双输出Z源逆变器。 IEEE Trans. 电力电子25（2），360-368。Haruna，J.，Hoshi，N.，2014年。 一种可驱动两台永磁同步电动机的新型三电平变频器。在：IET Intl. Conf. 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