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如何提高功率逆变器的效率?

发布时间:2020-03-18 来源:斯奈特 编辑:snadi 阅读数:

功率逆变器的效率与系统产生的能量直接相关,因此它是客户非常关心的重要指标。提高功率逆变器的转换效率非常重要。

提高功率逆变器效率的唯一方法是减少损耗。逆变器的主要损耗来自IGBT,MOSFET和其他功率开关管,以及诸如变压器和电感器的磁性设备,这与所选材料所采用的电流,电压和过程有关。

零件 类型 因素 措施
IGBT 开关损耗(动态) 开关频率,直流电压 多层次的控制策略
传导损耗(静态) 电流,元件内阻 软切换,新组件
电感 铁损(空载损耗) 容量,磁阻 提高开关频率和导磁材料
铜损(负载损失) 电流,内阻 良好的导电材料

IGBT损耗

它可以分为导通损耗和开关损耗。其中,传导损耗与内部电阻和流经组件的电流有关,而开关损耗与组件的开关频率和组件承受的直流电压有关。功率逆变器内部结构

电感损耗

它可以分为铜损和铁损。其中,铜损是指由电感线圈的电阻引起的损耗。当电流通过电感线圈的电阻加热时,一部分电能转化为热能并损失,并且由于线圈通常由绝缘铜线包裹,因此也称为铜损,可以通过测量来计算变压器的短路阻抗。铁损包括两个方面:磁滞损耗和涡流损耗,可以通过测量变压器的空载电流来计算。

提高逆变器效率的技术

目前,有三种技术途径可提高功率逆变器的效率

  • 首先,使用空间矢量脉冲宽度调制和其他控制方法来减少损耗。
  • 其次,碳化硅材料的成分用于降低功率器件的内阻。
  • 第三,采用三级,五级,多级电气拓扑和软开关技术来降低功率器件两端的电压和功率器件的开关频率。

1.空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)

SVPWM是一种全数字控制方法,具有直流电压利用率高,易于控制的优点,已在功率逆变器中得到广泛应用。直流电压利用率高,在相同的输出电压下可以使用较低的直流母线电压,从而降低了功率开关器件的电压应力,降低了器件的开关损耗,并在一定程度上提高了逆变器的转换效率。在空间矢量合成中,矢量序列有许多组合。通过不同的组合和分类,可以达到减少功率器件的开关时间的效果,可以进一步降低功率逆变器功率器件的开关损耗。

2.采用碳化硅材料制成的部件

碳化硅器件的单位面积阻抗仅是硅器件的百分之一,而IGBT(绝缘栅双极晶体管)和其他由碳化硅制成的功率器件可以将导通态阻抗降低到传统硅器件的十分之一。由于碳化硅技术可以有效降低二极管的反向恢复电流,因此还可以减少功率器件的开关损耗和主开关所需的电流容量。因此,以碳化硅二极管为主开关的反并联二极管是提高功率逆变器效率的途径。与传统的快速恢复反并联二极管相比,由碳化硅制成的反并联二极管可以显着降低反向恢复电流,并将总转换效率提高1%。使用快速IGBT后,由于开关速度加快,整个机器的转换效率可提高2%。当SiC反并联二极管与快速IGBT结合使用时,功率逆变器的效率将进一步提高。

功率逆变器内部结构

3.软交换和多级技术

根据谐振原理,软开关技术可以使开关设备中的电流或电压根据正弦或准正弦定律变化。当电流自然过零时,器件关断;当电压自然过零时,器件导通,从而减少了开关损耗,并解决了电感性断开和电容性开路的问题。而且,当开关两端的电压或流过开关的电流为零时,开关接通或断开,开关中就没有开关损耗。三电平功率逆变器主要用于高电压和高功率场合,与传统的两电平结构相比,它可以增加零电平输出,并将功率器件的电压应力降低一半。为此原因,在相同的开关频率下,三电平逆变器可以采用比两电平逆变器更小的输出滤波电感,从而可以有效地减少电感损耗,成本和体积。同时,在相同的输出谐波含量下,三电平功率逆变器可以比两电平功率逆变器采用更低的开关频率,更低的开关损耗和更高的转换效率。

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