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】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] 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VeE，采用曲线拟合，拟合出IGBT的输出特性 曲线VCE=g(Ic)及转移特性曲线Ic=f(VeE)，以及二极管的导通特性曲线VD=g(IF)，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；
[0008] 2)根据功率器件开关损耗曲线进行高次曲线拟合，得到EswT=g(I。）及EswD = g(IF)，另外，由于门极电阻R/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。
[0009] 上述步骤1)中，引入栅极电压^计算IGBT的通态损耗，根据拟合所得转移特性 曲线Ic=f(VeE)，计算IGBT的通态电压VCE=g[f(VeE)]和通态电阻RT=VCE/IC=g[f(VeE)]/ Ic。
[0010] 上述步骤2)中，引入栅极电压Va计算IGBT的开关损耗，根据曲线拟合所得EswT =g(Ic)及步骤1)中所得转移特性曲线Ic=f(VeE)，得到EswT=g[f(VeE)]。
[0011] 上述步骤2)中，引入IGBT的门极电阻修正系数eswT，根据IGBT的生产说明书，查 得曲线E^RdPE^-I^，选取曲线中可查得的门极电阻最大值t及额定工况下的门极电阻 值Re2分别对应的E^和E_，以及和E。"2，从而得出相应的EswTEl-Eoni+Eoffl，和E swTE2- Em2+EQff2，结合当前的RG，插值得出修正系数eswT，计算公式为
【主权项】
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 eE，采用曲线拟合，拟合出IGBT的输出特性曲线 VCE= g(I c)及转移特性曲线Ic= f(VeE)，以及二极管的导通特性曲线VD= 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EswT= g(I。）及EswD= g(IF)， 另外，由于门极电阻R/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，引入栅极电压计算IGBT的通态损耗，根据拟合所得转移特性曲线 Ic = f (VCE)，计算1GBT 的通态电压 VCE= g[f (VCE)]和通态电阻 RT= V〇/lc= g[f (VCE)]/Ic。
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，引入栅极电压计算IGBT的开关损耗，根据曲线拟合所得E swT = g(Ic)及步骤1)中所得转移特性曲线Ic=f(VeE)，得到E swT=g[f(VeE)]。
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0 swT，根据IGBT的生产说明书，查得 曲线Em-R#P E，选取曲线中可查得的门极电阻最大值t及额定工况下的门极电阻值 Re2分别对应的E ^和E m2，以及和E。"2，从而得出相应的ESwTR1 - Eonl+E〇m，和 ESwTR2 一 Em2+EQff2，结合当前的RG，插值得出修正系数e swT，计算公式为
【专利摘要】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。
【IPC分类】G06F19-00
【公开号】CN104615842
【申请号】CN201410526483
【发明人】杨柳, 罗雨, 侯婷, 黎小林, 许树楷
【申请人】中国南方电网有限责任公司电网技术研究中心, 南方电网科学研究院有限责任公司
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2014年10月8日