CN104615842A - 一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，全桥型模块化多电平换流器由六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由全桥型级联子模块和桥臂电抗器串联组成，子模块包括若干绝缘栅双极型晶闸管及续流二极管以及电容，每只绝缘栅双极型晶闸管与续流二极管反向并联构成开关器件支路，每两个开关器件支路级联并与电容并联，功率器件损耗计算方法包括以下步骤：1）获得桥臂电流、当前环境工作温度t及每个功率模块中绝缘栅双极型晶闸管的栅极电压及通态损耗和二极管的通态损耗；2）根据功率器件开关损耗曲线进行高次曲线拟合，计算出各个绝缘栅双极型晶闸管和二极管的开关损耗。本发明原理明确，计算结果正确可靠。

Description

一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法

技术领域

本发明涉及一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，属于输配电技术领域。

背景技术

柔性直流输电技术是采用全控型电力电子器件的新一代直流输电技术。相对于常规直流输电技术而言，因采用了先进的大功率电力电子器件组成的电压源换流器，可依据电网需要，灵活快捷地改变电能输送的大小和方向，并提供更优质的电能质量。基于模块化多电平换流器的柔性直流输电技术将是未来高压直流输电的发展方向，输出谐波少、能独立控制有功无功，可增强电网安全稳定性，在新能源入网、电网互联等方面具有巨大的应用潜力。

目前柔性直流输电工程中使用的模块化多电平换流器，其功率模块均为半桥结构，该结构不具备阻断直流故障的能力，需搭配直流断路器(仍处于研发阶段)才能用于远距离架空线路直流输电。基于全桥结构功率模块的多电平换流器尚为在柔性直流输电工程中应用，目前是研究的热点之一，也是未来远距离柔性直流输电换流器可采用的重要拓扑之一。

针对高电压、大容量、远距离的柔性直流输电工程，全桥型模块化多电平换流器每个桥臂上需要级联数量巨大的功率模块，单个功率模块中通常包含8个以上的功率器件，且不同子模块中的功率器件状态往往是相互独立的，如此多的功率器件在导通和关断的过程中将产生较大的损耗。因此，全桥型模块化多电平换流器功率器件的损耗特性研究也成为柔性直流输电技术的重要研究内容之一，现有的损耗计算方法大都针对两电平电压源换流器、三电平电压源换流器、半桥型模块化多电平换流器损耗，全桥型模块化多电平换流器损耗计算的研究非常少。与半桥型换流器相比，全桥型拓扑的功率模块结构及运行方式都存在一定的差异，现有的半桥型模块化多电平换流器损耗计算方法只有一部分能运用到全桥型模块化多电平换流器的损耗计算中。

发明内容

本发明提出一种原理明确，计算结果正确可靠，方便实用的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法。

本发明的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，所述全桥型模块化多电平换流器由A、B、C三相共六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由全桥型级联子模块和桥臂电抗器L串联组成，其中子模块包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4以及电容，每只绝缘栅双极型晶闸管IGBT与一只续流二极管反向并联构成一个开关器件支路，每两个开关器件支路级联并与电容相并联，该功率器件损耗计算方法包括以下步骤：

1)通过测量获得A、B、C三相上下桥臂电流、当前环境的工作温度t、以及每个功率模块中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的栅极电压V_GE，采用曲线拟合，拟合出IGBT的输出特性曲线V_CE＝g(I_C)及转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，以及二极管的导通特性曲线V_D＝g(I_F)，再引入插值、占空比、结温系数等，计算出各个IGBT和二极管的通态损耗；

2)根据功率器件开关损耗曲线进行高次曲线拟合，得到E_swT＝g(I_C)及E_swD＝g(I_F)，另外，由于门极电阻R_G变化时，功率器件的开关损耗会产生相应的变化，故引入门极电阻校正系数，再结合结温系数及开关频率，计算出各个IGBT和二极管的开关损耗。

上述步骤1)中，引入栅极电压V_GE计算IGBT的通态损耗，根据拟合所得转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，计算IGBT的通态电压V_CE＝g[f(V_GE)]和通态电阻R_T＝V_CE/I_C＝g[f(V_GE)]/I_C。

上述步骤2)中，引入栅极电压V_GE计算IGBT的开关损耗，根据曲线拟合所得E_swT＝g(I_C)及步骤1)中所得转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，得到E_swT＝g[f(V_GE)]。

上述步骤2)中，引入IGBT的门极电阻修正系数θ_swT，根据IGBT的生产说明书，查得曲线E_on-R_G和E_off-R_G，选取曲线中可查得的门极电阻最大值R_G1及额定工况下的门极电阻值R_G2分别对应的E_on1和E_on2，以及E_off1和E_off2，从而得出相应的E_swTR1＝E_on1+E_off1，和E_swTR2＝E_on2+E_off2，结合当前的R_G，插值得出修正系数θ_swT，计算公式为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{swT}}=\frac{1}{E_{\mathrm{swTR}1}}[\frac{E_{\mathrm{swTR}1}-E_{\mathrm{swTR}2}}{100}(R_G-R_{G2})+E_{\mathrm{swTR}2}].$

本发明提出了一种基于桥臂电流、栅极电压和门极电阻的全桥型模块化多电平换流器功率器件通态损耗和开关损耗的计算方法，本发明的方法根据功率器件绝缘栅双极型晶闸管IGBT的输出特性与转移特性，采用曲线拟合与插值的方式，引入门极电阻校正系数和结温系数，实现全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗的仿真计算。本发明方法的原理明确，计算结果正确可靠。

附图说明

图1是全桥型模块化多电平换流器的电路结构；

图2为图1中功率模块的电路结构图；

图3是IGBT通态电压和通态电阻生成原理图；

图4是二极管通态电压和通态电阻生成原理图；

图5是功率器件通态损耗计算流程图；

图6是功率器件开关损耗计算流程图；

图7是全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，所述全桥型模块化多电平换流器的电路结构如图1所示，A、B、C三相每相由上下两只桥臂串联而成，每只桥臂由若干个级联的功率模块以及桥臂电抗L串联组成。其中功率模块的结构如图2所示，包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，二极管VD1、VD2、VD3、VD4以及电容C，每只绝缘栅双极型晶闸管IGBT与一只二极管反向并联构成一个开关器件支路，每两个开关器件支路级联并与电容C相并联，其特征在该损耗计算方法包括以下步骤：

1)通过测量获得A、B、C三相上下桥臂电流、当前环境的工作温度t、以及每个功率模块中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的栅极电压V_GE，采用曲线拟合，拟合出IGBT的输出特性曲线V_CE＝g(I_C)及转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，以及二极管的导通特性曲线V_D＝g(I_F)，再引入插值、占空比、结温系数等，计算出各个IGBT和二极管的通态损耗；

2)根据功率器件开关损耗曲线，在MATLAB中进行高次曲线拟合，得到E_swT＝g(I_C)及E_swD＝g(I_F)，另外，由于门极电阻R_G变化时，功率器件的开关损耗会产生相应的变化，故引入门极电阻校正系数，再结合结温系数及开关频率，计算出各个IGBT和二极管的开关损耗。

上述步骤1)具体包括以下步骤：

11)由于IGBT的通态电压V_CE和栅极电压V_GE随集电极电流I_C的变化而变化，需根据IGBT的生产说明书，通过描点法在MATLAB中高次拟合出IGBT的输出特性曲线：

V_CE＝g(I_C)＝a_mI_C ^m+a_m-1I_C ^m-1+a_m-2I_C ^m-2+a_m-3I_C ^m-3+......+a₀：

及转移特性曲线：

I_C＝f(V_GE)＝b_nV_GE ⁿ+b_n-1V_GE ^n-1+b_n-2V_GE ^n-2+b_n-3V_GE ^n-3+......+b₀，

其中，m和n为高次拟合的次数；a_m、a_m-1……a₀，b_n、b_n-1……b₀为各次拟合系数；从而得到V_CE＝g[f(V_GE)]；进而得到IGBT的通态电阻R_T＝V_CE/I_C＝g[f(V_GE)]/I_C；IGBT通态电压和通态电阻生成的原理如图3所示。

12)由于二极管的通态电压V_D随电流I_F的变化而变化，需根据二极管的生产说明书，通过描点法拟合出二极管的输出特性曲线：

V_D＝g(I_F)＝c_pI_F ^p+c_p-1I_F ^p-1+c_p-2I_F ^p-2+c_p-3I_F ^p-3+......+c₀，其中，p为高次拟合的次数；c_p、c_p-1……c₀为各次拟合系数；从而得到二极管的通态电阻R_D＝V_D/I_F＝g[f(V_D)]/I_F；二极管通态电压和通态电阻生成的原理如图4所示。

13)根据IGBT和二极管的生产说明书，查参数表得到125℃及25℃时的V_CE1和V_CE2，以及V_D1和V_D2，结合当前工作结温T_vj，插值得出结温系数α_T和α_D，公式如下：

${\mathrm{\α}}_T=\frac{1}{V_{\mathrm{CE}1}}[\frac{V_{\mathrm{CE}1}-V_{\mathrm{CE}2}}{100}(T_{\mathrm{vj}}-25)+V_{\mathrm{CE}2}],$

${\mathrm{\α}}_D=\frac{1}{V_{D2}}[\frac{V_{D2}-V_{D1}}{100}(T_{\mathrm{vj}}-25)+V_{D1}].$

14)设计了一种测量功率器件占空比平均值的方法，以功率模块中IGBT1的占空比平均值测量为例说明。通过检测流过每个功率模块中IGBT1的电流，得知它的开通与关断状态，统计电流大于0的点的个数，根据MATLAB的仿真时间t和描点步长h，可得到该模块中IGBT1的占空比值，将每个功率模块中IGBT1的占空比值求和，再求平均，即可得到IGBT1的占空比平均值；IGBT2、IGBT3、IGBT3、VD1、VD2、VD3、VD4的占空比平均值求法与IGBT1的相同。占空比平均值的求解表达式如下：

${\mathrm{\δ}}_j=\underset{p=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{{\mathrm{\δ}}_j\left(p\right)}{2N}=\underset{p=1}{\overset{2N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{[a_j\left(p\right)-1]\·h/t}{2N},j=1~8$

式中，

2N—每相的功率模块个数；

δ_j—分别对应IGBT2、IGBT3、IGBT3、VD1、VD2、VD3、VD4的占空比平均值；

δ_j(p)—分别对应第p个子模块中IGBT2、IGBT3、IGBT3、VD1、VD2、VD3、VD4的占空比值；

a_j(p)—时间t内，第p个子模块中IGBT2、IGBT3、IGBT3、VD1、VD2、VD3、VD4处于导通状态时所描点的个数。

15)综上可得，每个IGBT的通态损耗计算公式：

$P_{\mathrm{con\; T}}={\mathrm{\α}}_T\·{\mathrm{\δ}}_T\·\frac{1}{T_0}\underset{0}{\overset{T_0/2}{\∫}}[V_{\mathrm{CE}}(I_C,V_{\mathrm{GE}},T_{\mathrm{vj}})+R_T(I_C,V_{\mathrm{GE}},T_{\mathrm{vj}})\·i\left(t\right)]\×i\left(t\right)\mathrm{dt}$

每个二极管的通态损耗计算公式：

$P_{\mathrm{con\; D}}={\mathrm{\α}}_D\·{\mathrm{\δ}}_D\·\frac{1}{T_0}\underset{0}{\overset{T_0/2}{\∫}}[V_D(I_F,T_{\mathrm{vj}})+R_D(I_F,T_{\mathrm{vj}})\·i\left(t\right)]\×i\left(t\right)\mathrm{dt}$

功率器件通态损耗计算流程如图5所示。

上述步骤2)具体包括以下步骤：

21)根据IGBT和二极管的产品说明书，在MATLAB中进行高次曲线拟合得到IGBT的开关能量损耗曲线：

E_swT＝g(I_C)＝d_qI_C ^q+d_q-1I_C ^q-1+d_q-2I_C ^q-2+d_q-3I_C ^q-3+......+d₀，

其中，q为高次拟合的次数；d_q、d_q-1……d₀为各次拟合系数；根据步骤1)中11)所得转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，得到E_swT＝g[f(V_GE)]；在MATLAB中进行高次曲线拟合得到二极管的开关能量损耗曲线：

E_swD＝_g(I_F)＝e_sI_F ^s+e_s-1I_F ^s-1+e_s-2I_F ^s-2+e_s-3I_F ^s-3+......+e₀，其中，s为高次拟合的次数；e_s、e_s-1……e₀为各次拟合系数；

22)引入门极电阻修正系数θ_swT。根据IGBT的生产说明书，查曲线E_on-R_G和E_off-R_G，选取曲线中可查得的门极电阻最大值R_G1及额定工况下的门极电阻值R_G2分别对应的E_on1和E_on2，以及E_off1和E_off2，从而得出相应的E_swTR1＝E_on1+E_off1，和E_swTR2＝E_on2+E_off2，结合当前的R_G，插值得出修正系数θ_swT，公式如下：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{swT}}=\frac{1}{E_{\mathrm{swTR}1}}[\frac{E_{\mathrm{swTR}1}-E_{\mathrm{swTR}2}}{100}(R_G-R_{G2})+E_{\mathrm{swTR}2}];$

23)根据IGBT和二极管的生产说明书，查参数表得到125℃及25℃时的E_swT1和E_swT2，以及E_swD1和E_swD2，结合当前工作结温T_vj，插值得出结温系数ρ_T和ρ_D，公式如下：

${\mathrm{\ρ}}_T=\frac{1}{E_{\mathrm{swT}1}}[\frac{E_{\mathrm{swT}1}-E_{\mathrm{swT}2}}{100}(R_{\mathrm{vj}}-25)+E_{\mathrm{swT}2}],$

${\mathrm{\ρ}}_D=\frac{1}{E_{\mathrm{swD}1}}[\frac{E_{\mathrm{swD}1}-E_{\mathrm{swD}2}}{100}(R_{\mathrm{vj}}-25)+E_{\mathrm{swD}2}];$

24)引入开关频率测量。通过测量单位时间内功率模块触发脉冲的个数可得到IGBT的总开关频率，该频率包括IGBT的有效开关动作和无效开关动作。有效开关动作：IGBT开通且有电流流过，二极管关断，此过程只有IGBT有开关损耗，对应的单位时间内的开关次数为IGBT的有效开关频率f_sT；无效开关动作：二极管开通且有电流流过时，IGBT开通但没有电流流过，此过程只有FWD有开关损耗，IGBT不产生开关损耗，对应的单位时间内的开关次数为IGBT的无效开关频率即FWD的开关频率f_sD。计算IGBT的开关损耗时应选用有效开关频率。

25)综上可得，IGBT的开关损耗计算公式：

$P_{\mathrm{swT}}={\mathrm{\θ}}_{\mathrm{swT}}\·{\mathrm{\ρ}}_T\·f_{\mathrm{sT}}\·\frac{1}{T_0}\underset{0}{\overset{T_0/2}{\∫}}{E}_{\mathrm{swT}}(t,i)\mathrm{dt}$

二极管的开关损耗计算公式：

$P_{\mathrm{swD}}={\mathrm{\ρ}}_D\·f_{\mathrm{sD}}\·\frac{1}{T_0}\underset{0}{\overset{T_0/2}{\∫}}{E}_{\mathrm{swD}}(t,i)\mathrm{dt}.$

功率器件通态损耗计算流程如图6所示。图7为功率器件损耗的计算原理示意图。

Claims (4)

1.一种全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，所述全桥型模块化多电平换流器由A、B、C三相共六只桥臂组成，每两只桥臂串联形成一个相单元，每只桥臂由全桥型级联子模块和桥臂电抗器L串联组成，其中子模块包括有绝缘栅双极型晶闸管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4，续流二极管VD1、VD2、VD3、VD4以及电容，每只绝缘栅双极型晶闸管IGBT与一只续流二极管反向并联构成一个开关器件支路，每两个开关器件支路级联并与电容相并联，其特征在于该功率器件损耗计算方法包括以下步骤：

1)通过测量获得A、B、C三相上下桥臂电流、当前环境的工作温度t、以及每个功率模块中IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4的栅极电压V_GE，采用曲线拟合，拟合出IGBT的输出特性曲线V_CE＝g(I_C)及转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，以及二极管的导通特性曲线V_D＝g(I_F)，再引入插值、占空比、结温系数等，计算出各个IGBT和二极管的通态损耗；

2)根据功率器件开关损耗曲线进行高次曲线拟合，得到E_swT＝g(I_C)及E_swD＝g(I_F)，另外，由于门极电阻R_G变化时，功率器件的开关损耗会产生相应的变化，故引入门极电阻校正系数，再结合结温系数及开关频率，计算出各个IGBT和二极管的开关损耗。

2.根据权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，其特征在于上述步骤1)中，引入栅极电压V_GE计算IGBT的通态损耗，根据拟合所得转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，计算IGBT的通态电压V_CE＝g[f(V_GE)]和通态电阻R_T＝V_CE/I_C＝g[f(V_GE)]/I_C。

3.根据权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，其特征在于上述步骤2)中，引入栅极电压V_GE计算IGBT的开关损耗，根据曲线拟合所得E_swT＝g(I_C)及步骤1)中所得转移特性曲线I_C＝f(V_GE)，得到E_swT＝g[f(V_GE)]。

4.根据权利要求1所述的全桥型模块化多电平换流器功率器件损耗计算方法，其特征在于上述步骤2)中，引入IGBT的门极电阻修正系数θ_swT，根据IGBT的生产说明书，查得曲线E_on-R_G和E_off-R_G，选取曲线中可查得的门极电阻最大值R_G1及额定工况下的门极电阻值R_G2分别对应的E_on1和E_on2，以及E_off1和E_off2，从而得出相应的E_swTR1＝E_on1+E_off1，和E_swTR2＝E_on2+E_off2，结合当前的R_G，插值得出修正系数θ_swT，计算公式为

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{swT}}=\frac{1}{E_{\mathrm{swTR}1}}[\frac{E_{\mathrm{swTR}1}-E_{\mathrm{swTR}2}}{100}(R_G-R_{G2})+E_{\mathrm{swTR}2}].$