基于CSPWM控制的四象限变流器功率开关器件损耗分析与比较_李虹VIP免费

基于CSPWM控制的四象限变流器功率开关器件损耗分析与比较李虹1王博宇1谭少林2游小杰1（1.北京交通大学电气工程学院北京1000442中国科学院数学与系统科学研究院北京100190)摘要：由于混沌控制在抑制开关变换器EMI上的显著效果而越来越被关注。但是目前尚没有关于混沌控制下开关器件的损耗分析。本文基于单相四象限变流器，在开关频率中加入Logistic混沌序列，对混沌正弦脉宽调制时的开关器件损耗进行了数学建模，利用Matlab编程，量化分析和比较了传统正弦脉宽调制和混沌正弦脉宽调制时开关管的损耗，并搭建了实验平台，进行了温升实验。仿真和实验结果均表明混沌控制时开关器件的总损耗和温升要略高于传统控制时。关键词：混沌控制变流器开关器件损耗分析1前言混沌正弦脉宽调制（Chaos-basedsinusoidalpulsewidthmodulation,CSPWM）是基于混沌理论提出来的一种新的正弦脉宽调制原理[1]，其通过开关频率f在一定范围内混沌变化来使谐波连续分布在较宽的频率范围内，从而在总谐波能量不变的基础上降低谐波峰值[1-4]。由于CSPWM可有效抑制四象限变流器电磁噪声尖峰，因此这种控制方法越来越受到人们的广泛关注。CSPWM控制时，由于开关频率的改变，开关器件的损耗和温升与常规正弦脉宽调制（Sinusoidalpulsewidthmodulation,SPWM）时不同，因而不能按照常规的方法去分析，本文以单相主电路整流拓扑为例，对CSPWM控制下IGBT的损耗和温升进行了分析，并与SPWM控制时进行了比较。最后给出了仿真计算和实验验证。2CSPWM与常规SPWM的区别以单相两电平整流拓扑为例，主电路如图1所示，其中T1~T4为全控型开关器件IGBT。整流时根据脉宽调制技术原理[5]，对T1~T4进行相应的PWM控制，使电路工作在整流模式下，维持输出dcu恒定，并且使交流侧电压与电流相位相同[6]。图2给出了两电平单相四象限变流器采用直接电流控制时的控制框图，而CSPWM与常规SPWM的控制策略的不同之处在于后者的三角载波频率是固定的，而前者的三角载波频率是呈混沌变化的。CLAB+dcU_RLsuNusi1T2T3T4T图1单相四象限整流器主电路NuNLNIdu采样电路NuNI生成调制波三角载波PWM调制du控制电路du给定值图2直接电流控制策略框图图3为CSPWM生成载波的方式，从图中可以看到三角载波频率是通过基准开关频率附加混沌频率生成的。基金项目：国家自然科学基金“青年基金”项目（51007004）168第七届中国高校电力电子与电力传动学术年会(SPEED2013)论文集-1基准开关频率fs混沌载波fc附加混沌频率Δf()autPWM信号正弦调制波两电平调制图3混沌控制载波生成方式正是由于采用CSPWM控制时，三角载波频率呈混沌变化使得开关管的损耗与传统控制时不同。开关器件的损耗和温升决定着器件的寿命，并且是变流系统稳定运行和提升功率的重要因素之一。因而研究CSPWM控制时开关管的损耗和温升对于CSPWM控制的推广有着很重要的意义。3CSPWM控制与常规SPWM控制开关器件损耗的分析与比较3.1开关器件的损耗分析IGBT由于其高频率、高电压、大电流等优点广泛应用于电力电子各领域[7]。作为典型的半导体全控开关器件，IGBT也是四象限整流器开关器件的主要选择，本文将以IGBT为例进行损耗和温升分析。IGBT不是一个理想开关，因为IGBT在导通时有饱和压降cesetV，并且在开关动作时有开关能耗onE和offE，这些是IGBT产生损耗的根源，其中cesetV造成导通损耗，onE和offE造成开关损耗[7-10]。V/AUCEUSICt图4IGBT工作时电流电压波形图4是IGBT开通和关断时的电流电压波形示意图。IGBT工作时导通损耗SSP的原理计算公式为[8]：11D()nSSCECmPUImmmn(1)式(1)中CEU是IGBT导通压降，CI为集电极电流，D为占空比。图5是常用IGBT的Datasheet里提供的CEU与CI之间的关系。0051015201234IC/AUCE/V_ONTU_1/ONTr253050.51.52.53.54.5图5CEU与CI关系曲线从图5中可以看到CEU与成分段线性正比例关系，CEU可以通过拟合公式用CI表示为[8]:__ONTNCETCOUrUI(2)IGBT工作时，开关损耗SWP的原理计算公式为[8]：()SSWonoffNUPFEEU(3)式(3)中onE和offE是一个开关周期的开通损耗和关断损耗，它们的值可以从IGBT的Datasheet中获得。NU是IGBT厂商测试开关损耗时的额定耐...