DPWM原理及其仿真分析

隨著功率半導體技術(shù)的發(fā)展，三電平拓撲廣泛應(yīng)用在光伏逆變器，儲能PCS和UPS等各種系統(tǒng)中。在設(shè)計中，追求的重要目標是功率密度和性價比，充分挖掘逆變器的潛力，在不提升成本的同時增加IGBT模塊的輸出電流能力，同時提高整機效率。

本文以英飛凌的Easy4B模塊應(yīng)用為例，引入DPWM(Discontinue Pulse Width Modulation)調(diào)制方式，這就可以在不增加成本的基礎(chǔ)上，提高模塊的輸出電流能力，實現(xiàn)最高350kW（320kW*110%長期過載）的高效光伏逆變器設(shè)計。

DPWM調(diào)制方式的原理是通過減少開關(guān)次數(shù)來顯著降低變流器的開關(guān)損耗。本文將對比介紹CPWM(Continue Pulse Width Modulation)和DPWM的基本原理，比較不同的DPWM類型，仿真給出了SVPWM和DPWM調(diào)制方法下，ANPC模塊在320kW組串式光伏逆變器中的的損耗和溫升。

CPWM簡介

在光伏逆變器領(lǐng)域中，CPWM仍然占據(jù)主導地位。常見的CPWM包括SPWM、三次諧波注入PWM，SVPWM等，這些調(diào)制算法的特征是每相調(diào)制波形連續(xù)，功率半導體器件在每一個開關(guān)周期中都要開關(guān)一次。目前在三相逆變器中應(yīng)用最廣泛的是SVPWM，其是基于計算的調(diào)制算法，具有成熟度高、數(shù)字化容易、直流母線利用率高、輸出THD低的優(yōu)點。不同CPWM的調(diào)制波形如圖1所示。

(a)

(b)

(c)

圖1. (a)SPWM,(b)三次諧波注入PWM,(c)SVPWM

DPWM簡介

DPWM的優(yōu)勢在于其可以通過減少開關(guān)次數(shù)顯著降低功率半導體器件的開關(guān)損耗。與CPWM不同，DPWM的每一相的調(diào)制波會在三分之一個工頻周期內(nèi)被鉗位到0或者1，由此可以減少三分之一的開關(guān)動作，進而降低開關(guān)損耗。這也是其被稱為“不連續(xù)”的原因。

如圖2和圖3(a)所示，在傳統(tǒng)的SVPWM中，每個開關(guān)周期會使用兩個零向量U0(000)和U7(111)，其會占據(jù)開關(guān)周期的中間和兩端的時刻。每個開關(guān)周期中有七段向量組合，由此又稱七段式PWM。而DPWM在每個開關(guān)周期中只使用一種零向量，從而每個開關(guān)周期中有一相的開關(guān)管可以不動作，如圖3(b)所示。每個周期中只有五段向量組合，由此又稱五段式PWM。

圖2

圖3. (a)SVPWM開關(guān)順序、(b)DPWM開關(guān)順序

根據(jù)使用的零向量及其使用的時機不同，DPWM可以被分為六種：DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMAX、DPWMMIN。由圖4可見，不同DPWM的鉗位時刻不一樣，如果根據(jù)實際功率因數(shù)選擇合適的DPWM方式，使得電流最大的時候功率半導體器件被鉗位，那就可以最大程度的降低開關(guān)損耗。比如光伏逆變器的功率因數(shù)典型值為1，電壓與電流同相位，那么采用圖4(b)所示的DPWM1的調(diào)制算法就可以實現(xiàn)最低的損耗。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖4. (a)DPWM0、(b)DPWM1、(c)DPWM2、(d)DPWM3、(e)DPWMMAX、(f)DPWMMIN

仿真分析

接下來以320kW ANPC拓撲的組串式光伏逆變器為背景，對比不同調(diào)制算法的效率和溫升。仿真工況如表一所示

表一. 320kW組串式光伏逆變器典型工況

設(shè)計使用英飛凌針對300kW+光伏組串逆變器開發(fā)的ANPC模塊，型號為F3L600R10W4S7F_C22，封裝為Easy 4B，其IGBT芯片使用了英飛凌最新的IGBT7技術(shù)，并在D5/D6使用了SiC二極管來提高效率。其拓撲結(jié)構(gòu)如圖5所示。IGBT模塊的PLECS仿真模型為英飛凌官網(wǎng)下載。

圖5. 英飛凌F3L600R10W4S7F_C22模塊拓撲示意圖

調(diào)制方式選擇為ANPC-1即T2/T3工頻動作，T1/T2/T5/T6高頻動作，全短換流路徑。將仿真工況結(jié)合仿真模型并在PLECS平臺上進行仿真，換用不同的調(diào)制策略并記錄每個芯片的損耗如圖6所示，芯片結(jié)溫及整機效率如圖7所示。

圖6. 不同調(diào)制方式的損耗仿真結(jié)果

圖7. 不同調(diào)制方式的效率與外管T1溫度仿真結(jié)果

當功率因數(shù)PF接近于1時，T1/D5/T4/D6同時產(chǎn)生導通損耗和開關(guān)損耗，而T2/T3由于開關(guān)頻率為工頻，近似認為只有導通損耗。兩種CPWM方法（三次諧波注入PWM和SVPWM）的損耗幾乎相同并且最高約等于820W。而各種DPWM的開關(guān)損耗顯著降低，其中DPWM1的損耗最低，僅為715W，比CPWM降低了約12.8%。這是因為其保證了最大電流流過開關(guān)管時無開關(guān)動作。受此影響，對應(yīng)的最高結(jié)溫Tvj1也由CPWM的141°C降低到DPWM1的128°C。DPWM0和DPWM2具有相同的功率損耗，因為它們的鉗位區(qū)間相對于PF≈1工況的相移相反且移動程度相同，它們最適用于需要少量無功的工況。

總結(jié)

DPWM使得每相有三分之一個工頻周期開關(guān)管不動作，進而降低開關(guān)損耗。

不同DPWM的區(qū)別表現(xiàn)為鉗位區(qū)間的分布不同。

DPWM1適用于光伏逆變器，因其鉗位區(qū)處于負載電流最大的區(qū)域

如果存在部分容性或感性無功功率需求，DPWM0或DPWM2是更好的選擇。