用于三電平逆變器的igbt提高dcac轉(zhuǎn)換的效率

1、<p>　　用于三電平逆變器的IGBT　提高DC/AC轉(zhuǎn)換的效率</p><p>　　電能是一種極其寶貴的商品，許多市場研究表明，電能的需求正在按指數(shù)級不斷地增長。2001至2006年，能源消費(fèi)增加了16.1％（數(shù)據(jù)來源：英國石油公司世界能源統(tǒng)計回顧， 2007年6月） 。然而，由于電能的有限以及日益高漲的石油價格，一個新的技術(shù)時代經(jīng)開始了——一個以降低電能消耗和促進(jìn)替代能源研究為目標(biāo)的時代。因此，迫切

2、需要在所有的工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用中持續(xù)不斷地提高效率。</p><p>　　當(dāng)我們談?wù)撔蕰r，我們主要指的是電力效率。然而，這種用法并不是效率一次本身的完整含義。在電力電子應(yīng)用中，工程師在開發(fā)新產(chǎn)品過程中的追求的主要目標(biāo)是以最大限度地發(fā)揮不同類型的效率，如電效率和熱效率，以及優(yōu)化諧波失真和產(chǎn)品整體的尺寸。 </p><p>　　上述目標(biāo)必須與其他越來越嚴(yán)格的目標(biāo)一起實(shí)現(xiàn)：滿足經(jīng)濟(jì)效率和開發(fā)時間

3、的要求。這就產(chǎn)生了一個問題：具有更高效率的更為強(qiáng)大的模塊是否能夠滿足所有重要的效率目標(biāo)。 　　SEMITOP 功率模塊擁有卓越的熱性能，集成了最新的芯片技術(shù)和高度創(chuàng)新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而最大限度地提高效率和成本效益。絕緣的功率模塊是用于PCB焊接。單螺釘安裝和無銅基板的設(shè)計確保了良好的熱性能，從而帶來了無與倫比的應(yīng)用可靠性。超過10000 小時，基于17種不同測試的大量質(zhì)量評定也驗證了可靠性。</p><

4、;p>　　SEMITOP 的產(chǎn)品范圍已經(jīng)擴(kuò)展，增加了一款專為三電平逆變器開發(fā)的新模塊。</p><p>　　三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)正越來越多地用于UPS，包括那些中低額定功率（5-40 kVA）的產(chǎn)品 。</p><p>　　多電平逆變技術(shù)是基于一個相當(dāng)簡單的概念： 多個IGBT模塊串聯(lián)起來，使得額定電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單個IGBT的反向阻斷電壓。這一概念首次是在高壓和大功率轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中引入，

5、以便能夠在數(shù)以萬計的額定電壓范圍內(nèi)使用標(biāo)準(zhǔn)的IGBT。</p><p>　　在DC / AC轉(zhuǎn)換器中使用多電平逆變器是一種簡單的提高效率的方法。該轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個非常接近正弦波且諧波失真極小的輸出波形。這樣有兩個好處：開關(guān)頻率比典型的兩電平應(yīng)用要低，從而減少了硅損耗；省去了輸出濾波器，使得整體尺寸變小，成本降低。</p><p>　　一個典型的半橋式三相逆變器（圖1a ）允許輸出電壓波形只能

6、在兩個電平間切換。相比之下，圖1b所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)允許輸出電壓波形在三個電平間切換，這就是為什么這種結(jié)構(gòu)也被稱為三電平逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原因。</p><p>　　圖 1 – 二電平逆變器（2L）和三電平逆變器（3L）的典型橋臂</p><p>　　為了確定三電平逆變器與常規(guī)二電平逆變器之間的區(qū)別，現(xiàn)在我們將分析三電平逆變器背后所隱藏的原理[1] 。對于三相三電平逆變器，需要一個采用12個電子

7、元件（IGBT）的類似結(jié)構(gòu)（參閱圖2 ）。每一相都將在三個電平（+Vdc/2, 0, -Vdc/2）間切換。在像這樣的一個結(jié)構(gòu)中，IGBT上的最大電壓被限定為最大直流環(huán)節(jié)電壓（Vdc/2）的一半 。這是因為這些IGBT通過兩個被稱為箝位二極管的快速二極管連接到了中性點(diǎn)（MP）。 </p><p>　　圖 2 – 三相三電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)</p><p>　　三相兩電平逆變器加上脈寬調(diào)制產(chǎn)

8、生算法[2]也可以應(yīng)用于多電平逆變器。該算法配合三角載波在減少諧波失真方面效果最好，即三電平逆變器既需要載波，也需要參考波。 </p><p>　　在這種情況下，三角載波的數(shù)量等于L-1， L表示電平數(shù)。對于三相三電平逆變器來說，這意味著需要兩個三角載波和一個正弦參考波。</p><p>　　三種具有不同相位關(guān)系的PWM方式可用于三電平逆變器：</p><p>　　

9、交替反相層疊式（APOD） ，這種方式中所有相鄰載波的相位都相反。</p><p>　　正負(fù)反相層疊式（POD），這種方式中使零值以上的載波相位和零值以下的載波相位相反</p><p>　　同相層疊式（ PD ）的，即所有載波以相同的相位上下排列疊加</p><p>　　PD方式是最常用，因為它的線輸出電壓的諧波失真最小。三角載波和正弦參考波，以及IGBT和NCD的

10、電流波形如圖3所示。</p><p>　　圖 3 – 三電平逆變器原理</p><p>　　與兩電平逆變器相比，三電平逆變器的電路似乎更為復(fù)雜。然而，其所帶來的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，成了強(qiáng)烈建議使用三電平逆變器的理由。</p><p>　　在這里，在具有相同邊界條件的同種應(yīng)用下對兩個標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行了對比，詳見附表1（[3],[4]）。IGBT和二極管的導(dǎo)通和開關(guān)損耗按表

11、2中所給的公式計算[5],[6]。</p><p>　　表 1 –模擬條件和主要的IGBT參數(shù)</p><p>　　三電平逆變器的IGBT具有較低的反向阻斷電壓——600V而不是1200V。600V芯片通常比1200V芯片更快、更薄。因此三電平逆變器中的硅片具有更低的開關(guān)損耗和正向壓降。 </p><p>　　表 2 – 用于計算三電平逆變器[5]和二電平逆變器[6

12、]開關(guān)和導(dǎo)通損耗的公式</p><p>　　如表3所示，三電平逆變器單個橋臂的總損耗比二電平逆變器低60%。 Q2和Q3的開關(guān)損耗可以忽略不計。</p><p>　　由于Q1的電流流入D5，因此D1和D4二極管的電流非常??；Q4的電流流入D6 ，而Q2的電流流入Q3。鉗位二極管承載整個負(fù)載電流。</p><p>　　表 3 – 損耗分析：三電平逆變器vs. 二電平逆

13、變器</p><p>　　圖4顯示了作為開關(guān)頻率函數(shù)的逆變器單橋臂整體損耗（三電平vs.二電平） 。為了減少噪聲污染，20KVA的UPS的開關(guān)頻率在人的聽覺頻率范圍之上。在此開關(guān)頻率范圍內(nèi)，三電平逆變器的總橋臂損耗明顯低于二電平逆變器的總橋臂損耗。</p><p>　　此外，三電平逆變器中的輸出電壓波形是非常近似于正弦波，這就是為什么三電平逆變器只需要非常小的輸出濾波器。從而減小三電平 I

14、GBT和二極管上的應(yīng)力，提高了長期的可靠性和應(yīng)用的整體效率。</p><p>　　圖 4 – 每個橋臂與頻率的總損耗對比</p><p>　　從經(jīng)濟(jì)角度來看，在這一具體分析， 基于600V硅片的三電平逆變器橋臂比基于1200V硅片的二電平逆變器橋臂便宜25 ％。 </p><p>　　由于損耗較低以及輸出電壓在三個電平間切換這樣一個事實(shí)，三電平逆變器的真正優(yōu)勢在于減

15、少了電源開關(guān)的應(yīng)力。由此產(chǎn)生的輸出電壓波形幾乎是正弦波，諧波失真小，從而只需使用更小的輸出濾波器?？傮w損耗減小也意味著可以使用更小的散熱器。更小的散熱器和輸出濾波器可以減少UPS的整體尺寸，從而降低整體應(yīng)用成本。</p><p>　　由于上述原因，在用于USP的三電平逆變器中使用標(biāo)準(zhǔn)SEMITOP 模塊可以最大限度地提高電效率及熱效率，縮短產(chǎn)品的上市時間，更重要的是，可以降低UPS的整體成本。</p>

16、<p><b>　　SEMITOP概覽</b></p><p>　　SEMITOP　模塊的特性:　　 DCB直接與散熱器接觸：無需基板　　一個陶瓷絕緣層　　 用于PCB焊接的引腳　　 簡便的單螺絲釘安裝　　電流等級　　　　 最大 200A 的600V IGBT 　　　　 最大100A 的1200V IGBT 　　

17、　　 最大300A的Mosfet </p><p>　　SEMITOP? 模塊具有:　　 減少了裝配成本　　 最佳的熱阻　　　　與絕緣TO相比，最大減小30% 　　　　與IMS相比，最大減小18%　　 結(jié)合了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片技術(shù)：輸入橋、逆變器、交流開關(guān)、半橋、整流器-逆變器-制動器、制動斬波器　　 緊湊型設(shè)計，節(jié)省成本和空間　　 使用串

18、聯(lián)電阻極小的引腳：與競爭者的技術(shù)相比，最多能減少14%的傳導(dǎo)損耗</p><p>　　所有模塊均符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)</p><p><b>　　參考文獻(xiàn):</b></p><p>　　[1] Grahame Holmes, Lipo - Pulse width modulation for power converters: principle

19、and practice. Pages 42-49　　[2] Grahame Holmes, Lipo - Pulse width modulation for power converters: principle and practice. Pages 467-469　　[3] SK60GB128 datasheet. http://www.semikron.com/internet/ds.jsp?file=2469.html