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

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1、第七届中国高校电力电子与电力传动学术年会(SPEED2013)论文集基于CSPWM控制的四象限变流器功率开关器件损耗分析与比较1121李虹王博宇谭少林游小杰（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

2、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-basedsinusoidalT1T3pulsewidthmodulation,CSPWM）是基于混沌理论iLs[1]提出来的一种新的正弦脉宽调制原理，其通过开A关频率f在一定范围内混沌变化来使谐波连续分布uNuCUdcRLs在较宽的频率范围内，从而在总谐波能量不变的基B[1-4]础上降低谐

3、波峰值。由于CSPWM可有效抑制四TT象限变流器电磁噪声尖峰，因此这种控制方法越来24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（Sinusoidal图1单相四象限整流器主电路pulsewidthmodulation,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INL行了分析，并与SPWM控制时进行了比较。最后给uNNud出了仿真计算和实验验证。IN给定值ud2CSPWM与常规SPWM的

4、区别生采三控以单相两电平整流拓扑为例，主电路如图1所样成角制uN调示，其中T1~T4为全控型开关器件IGBT。整流时电载电制根据脉宽调制技术原理[5]，对T1~T4进行相应的路PWM调制波路波PWM控制，使电路工作在整流模式下，维持输出udcu[6]d恒定，并且使交流侧电压与电流相位相同。图2直接电流控制策略框图图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图3为CSPWM生成载波的方式，从图中可以的控制策略的不同之处在于后者的三角载波频率看到三角载波频率是通过基准开关频率附加

5、混沌是固定的，而前者的三角载波频率是呈混沌变化频率生成的。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uta()30正弦调制波-1A25/C1/r两电平调制I20ONT_基准开关频混PWM信号率fs沌15载附加混沌波10频率Δffc5图3混沌控制载波生成方式000.511.522.533.544.55U正是由于采用CSPWM控制时，三角载波频率ONT_UCE/V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

6、决定着器件的寿命，并且是图5U与I关系曲线CEC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从图5中可以看到U与成分段线性正比例关CSPWM控制的推广有着很重要的意义。CE[8]系，U可以通过拟合公式用I表示为:CEC3CSPWM控制与常规SPWM控制开关器件损UUrI(2)耗的分析与比较CEONT__ONTCIGBT工作时，开关损耗P的原理计算公式为3.1开关器件的损耗分析SW[8]IGBT由于其高频率、高电压、大电流等优点：[7]广泛应用于电力电子各领域。作为典型的

7、半导体USPFE()E(3)全控开关器件，IGBT也是四象限整流器开关器件SWonoffUN的主要选择，本文将以IGBT为例进行损耗和温升式(3)中E和E是一个开关周期的开通损耗onoff分析。和关断损耗，它们的值可以从IGBT的DatasheetIGBT不是一个理想开关，因为IGBT在导通时有饱和压降V，并且在开关动作时有开关能耗E中获得。UN是IGBT厂商测试开关损耗时的额定ceseton[12]和E，这些是IGBT产生损耗的根源，其中V造耐压，US是实际实验时的耐压。图6为英飞凌offceset成导通损耗

8、，E和E造成开关损耗[7-10]。公司生产的H20R1202型IGBT的Datasheet中Eonoffon和E与I的关系曲线。offC/AUSICJ12VmEon/10ffoUEn8CEoEt6Eoff图4IGBT工作时电流电压波形42图4是IGBT开通和关断时的电流电压波形示0意图。IGBT工作时导通损耗PSS的原理计算公式为