模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法技术

本发明专利技术公开了一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，根据模块化中压大功率逆变电源在采用单载波调制策略时，在每个载波周期内，根据每个功率单元开关器件的导通情况和开关状态变化情况，首先建立每个功率单元在桥臂电流充放电工况下的导通损耗模型和开关损耗模型；其次，结合桥臂所有级联功率单元的整体变化趋势，建立每个载波周期内桥臂损耗模型，并求取在每个调制周期内的桥臂损耗模型；最后，结合四个桥臂的损耗模型，得到模块化中压大功率逆变电源在单载波调制下的导通损耗模型和开关损耗模型。

【技术实现步骤摘要】
模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法
本专利技术涉及模块化中压大功率逆变电源控制领域，特别是一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法。
技术介绍
模块化中压大功率逆变电源因其高度模块化的结构特点，可通过调节桥臂中的功率单元数来适应不同的电压等级，随着功放电压等级和功率等级的升高，功率单元数也随之增加，此时，功放自身的损耗问题将变得不可忽视，因此，功率损耗是衡量模块化大功率逆变电源运行效率的一项重要性能指标。在工程中，对功率器件的损耗进行预先计算和方案评估，是IGBT选型和功放系统散热设计过程中的重要环节。但当模块化中压大功率逆变电源采用不同的调制策略时，其功率损耗计算方法存在较大差异，最近电平逼近调制策略下的损耗模型和采用载波调制的损耗模型有所区别，模块化电源系统尤其在采用载波调制策略时，损耗建模方法较为复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，包括以下步骤：1)建立单个功率开关器件在不同开关状态和导通情况下的开关器件损耗计算模型；2)分析在单载波调制策略下，模块化中压大功率逆变电源的每个功率单元的开关器件在每个调制周期内的导通状态和开关状态变化情况；3)根据功率开关器件损耗计算模型和每个功率单元开关器件的导通情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的导通损耗计算模型，并建立每个桥臂在一个调制周期内的导通损耗计算模型；根据开关器件损耗计算模型和每个半桥型功率单元的开关状态变化情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的开关损耗计算模型，并建立每个桥臂在一个调制周期内的开关损耗计算模型；4)基于所述导通损耗计算模型和开关损耗计算模型，建立模块化中压大功率逆变电源在单载波调制下一个调制周期内的损耗计算模型。步骤1)的具体实现过程包括：建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管在导通状态下，瞬时导通电压与导通电流关系的数学模型如下：其中，ρi为拟合系数，是常数；Vce是功率开关器件的瞬时导通电压，Ic是功率开关器件的瞬时导通电流，VF是二极管的瞬时导通电压，IF是二极管的瞬时导通电流；i＝1～4；利用所述数学模型建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管的瞬时导通损耗与导通电流关系的数学模型：其中，pconT和pcond分别为功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管的瞬时导通损耗；分别建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管在不同开关状态时的瞬时开关能量，当功率开关器件从关断状态变化为开通状态时，功率开关器件存在瞬时开通能量，当功率开关器件从开通状态变化为关断状态时，功率开关器件存在瞬时关断能量，当二极管从开通状态变化为关断状态时，二极管存在瞬时反恢复能量，建立所述瞬时开通能量、瞬时关断能量、瞬时反恢复能量与导通电流关系的数学模型：其中，λj为常数；eon、eoff和erec分别为功率开关器件瞬时开通能量、IGBT瞬时关断能量和二极管瞬时反恢复能量，Ic和IF分别为功率开关器件和二极管的导通电流；j＝1～9。在模块化中压大功率逆变电源第m个桥臂中，桥臂电流im的瞬时值即为Ic，且Ic＝IF；m＝1～4。步骤2)中：在单载波调制策略下，在每个载波周期内，每个功率单元的开关器件的导通状态分为以下两种情况：当桥臂电流im(k)为充电方向，即im(k)>0，投入的功率单元，二极管为导通状态，功率开关器件为关断状态，切除的功率单元，二极管为关断状态，功率开关器件为导通状态，设每个桥臂包含N个功率单元，投入功率单元数为Non(k)，则此时，导通的二极管数为Non(k)，导通的功率开关器件数为[N-Non(k)]；当桥臂电流im(k)为放电方向，即im(k)≤0，投入的功率单元，功率开关器件为导通状态，切除的功率单元，二极管为导通状态，则导通的功率开关器件数为Non(k)，导通的二极管数为[N-Non(k)]；每个功率单元的开关器件的开关状态分为以下两种情况：im(k)>0：当功率单元投入时，二极管由关断变为导通，功率开关器件由导通变为关断，当功率单元切除时，功率开关器件由关断变为导通，二极管由导通变为关断；im(k)≤0：当功率单元投入时，二极管由导通变为关断，功率开关器件由关断变为导通，当功率单元切除时，功率开关器件由导通变为关断，二极管由关断变为导通。步骤3)中，第m个桥臂在一个调制周期内的导通损耗Pconm计算模型表示如下：其中，Tc为载波周期；0～Tp区段，桥臂电流im(k)>0，Tp～Tr区段，im(k)≤0；当im(k)>0时，当im(k)≤0时，和pcond_neg(k)分别表示电流为放电方向时，第m个桥臂中所有IGBT和二极管的导通损耗。步骤3)中，第m个桥臂在一个调制周期内的开关损耗计算模型为：其中，Ponm，Precm，Poffm，Pswm分别表示第m个桥臂在一个调制周期内的IGBT开通损耗、二极管反恢复损耗、IGBT关断损耗和总开关损耗；当桥臂电流im(k)>0时，eon_pos(k)，eoff_pos(k)和erec_pos(k)分别表示电流为充电方向时，第m个桥臂中所有IGBT和二极管的开关损耗；当im(k)≤0时，eon_neg(k)，eoff_neg(k)和erec_neg(k)分别表示电流为放电方向时，第m个桥臂中所有IGBT和二极管的开关损耗。模块化中压大功率逆变电源在单载波调制下一个调制周期内的损耗计算模型为：其中，Pcon_inv和Psw_inv分别表示模块化中压大功率逆变电源在一个调制周期内的导通损耗和开关损耗，Pconm和Pswm分别表示第m个桥臂在一个调制周期内的导通损耗和开关损耗。本专利技术提出的一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，根据模块化中压大功率逆变电源在采用单载波调制策略时，每个载波周期内，根据每个功率单元开关器件的导通情况和开关状态变化情况，首先建立每个功率单元在桥臂电流充放电工况下的导通损耗模型和开关损耗模型；其次，结合桥臂所有级联功率单元的整体变化趋势，建立每个载波周期内桥臂损耗模型，并求取在每个调制周期内的桥臂损耗模型；最后，结合四个桥臂的损耗模型，得到模块化中压大功率逆变电源在单载波调制下的导通损耗模型和开关损耗模型。与现有技术相比，本专利技术所具有的有益效果为：1)在模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法下计算得到的损耗值与实际损耗值基本一致，该损耗模型具有较高的计算精确度，用于中压大功率电源在实际工程设计中的损耗测算和评估，无需电源的实际试验测算，降低生产成本；2)针对每个功率单元，将损耗模型的计算区段设置为载波周期，相比传统的损耗建模方法，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，其特征在于，包括以下步骤：/n1)建立单个功率开关器件在不同开关状态和导通情况下的开关器件损耗计算模型；/n2)分析在单载波调制策略下，模块化中压大功率逆变电源的每个功率单元的开关器件在每个调制周期内的导通状态和开关状态变化情况；/n3)根据功率开关器件损耗计算模型和每个功率单元开关器件的导通情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的导通损耗计算模型，并建立每个桥臂在一个调制周期内的导通损耗计算模型；根据开关器件损耗计算模型和每个半桥型功率单元的开关状态变化情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的开关损耗计算模型，进而建立每个桥臂在一个调制周期内的开关损耗计算模型；/n4)基于所述导通损耗计算模型和开关损耗计算模型，建立模块化中压大功率逆变电源在单载波调制策略下每个调制周期内的损耗计算模型。/n

【技术特征摘要】
1.一种模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)建立单个功率开关器件在不同开关状态和导通情况下的开关器件损耗计算模型；
2)分析在单载波调制策略下，模块化中压大功率逆变电源的每个功率单元的开关器件在每个调制周期内的导通状态和开关状态变化情况；
3)根据功率开关器件损耗计算模型和每个功率单元开关器件的导通情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的导通损耗计算模型，并建立每个桥臂在一个调制周期内的导通损耗计算模型；根据开关器件损耗计算模型和每个半桥型功率单元的开关状态变化情况，建立每个桥臂在一个载波周期内的开关损耗计算模型，进而建立每个桥臂在一个调制周期内的开关损耗计算模型；
4)基于所述导通损耗计算模型和开关损耗计算模型，建立模块化中压大功率逆变电源在单载波调制策略下每个调制周期内的损耗计算模型。


2.根据权利要求1所述的模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，其特征在于，步骤1)的具体实现过程包括：
建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管在导通状态下，瞬时导通电压与导通电流关系的数学模型如下：



其中，ρi为拟合系数，是常数；Vce是功率开关器件的瞬时导通电压，Ic是功率开关器件的瞬时导通电流，VF是二极管的瞬时导通电压，IF是二极管的瞬时导通电流；i＝1～4；
利用所述数学模型建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管的瞬时导通损耗与导通电流关系的数学模型：



其中，pconT和pcond分别为功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管的瞬时导通损耗；
分别建立功率开关器件和与该功率开关器件并联的二极管在不同开关状态时的瞬时开关能量，当功率开关器件从关断状态变化为开通状态时，功率开关器件存在瞬时开通能量，当功率开关器件从开通状态变化为关断状态时，功率开关器件存在瞬时关断能量，当二极管从开通状态变化为关断状态时，二极管存在瞬时反恢复能量，建立所述瞬时开通能量、瞬时关断能量、瞬时反恢复能量与导通电流关系的数学模型：



其中，λj为常数；eon、eoff和erec分别为功率开关器件瞬时开通能量、IGBT瞬时关断能量和二极管瞬时反恢复能量，Ic和IF分别为功率开关器件和二极管的导通电流；j＝1～9。


3.根据权利要求2所述的模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，其特征在于，在模块化中压大功率逆变电源第m个桥臂中，桥臂电流im的瞬时值即为Ic，且Ic＝IF；m＝1～4。


4.根据权利要求1所述的模块化中压大功率逆变电源单载波调制损耗建模方法，其特征在于，步骤2)中：
在单载波调制策略下，在每个载波周期内，每个功率单元的开关器件的导通状态分为以下两种情况：
当桥臂电流im(k)为充电方向，即im(k)>0，投入的功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳雨霏，王文，唐欣，江洪伟，文彬彬，
申请(专利权)人：长沙理工大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43