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如何提高功率逆變器的效率?

發布時間:2020-03-18 來源:斯奈特 編輯:snadi 閱讀數:

功率逆變器的效率與系統產生的能量直接相關,因此它是客戶非常關心的重要指標。提高功率逆變器的轉換效率非常重要。

提高功率逆變器效率的唯一方法是減少損耗。逆變器的主要損耗來自IGBT,MOSFET和其他功率開關管,以及諸如變壓器和電感器的磁性設備,這與所選材料所采用的電流,電壓和過程有關。

零件 類型 因素 措施
IGBT 開關損耗(動態) 開關頻率,直流電壓 多層次的控制策略
傳導損耗(靜態) 電流,元件內阻 軟切換,新組件
電感 鐵損(空載損耗) 容量,磁阻 提高開關頻率和導磁材料
銅損(負載損失) 電流,內阻 良好的導電材料

IGBT損耗

它可以分為導通損耗和開關損耗。其中,傳導損耗與內部電阻和流經組件的電流有關,而開關損耗與組件的開關頻率和組件承受的直流電壓有關。功率逆變器內部結構

電感損耗

它可以分為銅損和鐵損。其中,銅損是指由電感線圈的電阻引起的損耗。當電流通過電感線圈的電阻加熱時,一部分電能轉化為熱能并損失,并且由于線圈通常由絕緣銅線包裹,因此也稱為銅損,可以通過測量來計算變壓器的短路阻抗。鐵損包括兩個方面:磁滯損耗和渦流損耗,可以通過測量變壓器的空載電流來計算。

提高逆變器效率的技術

目前,有三種技術途徑可提高功率逆變器的效率。

  • 首先,使用空間矢量脈沖寬度調制和其他控制方法來減少損耗。
  • 其次,碳化硅材料的成分用于降低功率器件的內阻。
  • 第三,采用三級,五級,多級電氣拓撲和軟開關技術來降低功率器件兩端的電壓和功率器件的開關頻率。

1.空間矢量脈沖寬度調制(SVPWM)

SVPWM是一種全數字控制方法,具有直流電壓利用率高,易于控制的優點,已在功率逆變器中得到廣泛應用。直流電壓利用率高,在相同的輸出電壓下可以使用較低的直流母線電壓,從而降低了功率開關器件的電壓應力,降低了器件的開關損耗,并在一定程度上提高了逆變器的轉換效率。在空間矢量合成中,矢量序列有許多組合。通過不同的組合和分類,可以達到減少功率器件的開關時間的效果,可以進一步降低功率逆變器功率器件的開關損耗。

2.采用碳化硅材料制成的部件

碳化硅器件的單位面積阻抗僅是硅器件的百分之一,而IGBT(絕緣柵雙極晶體管)和其他由碳化硅制成的功率器件可以將導通態阻抗降低到傳統硅器件的十分之一。由于碳化硅技術可以有效降低二極管的反向恢復電流,因此還可以減少功率器件的開關損耗和主開關所需的電流容量。因此,以碳化硅二極管為主開關的反并聯二極管是提高功率逆變器效率的途徑。與傳統的快速恢復反并聯二極管相比,由碳化硅制成的反并聯二極管可以顯著降低反向恢復電流,并將總轉換效率提高1%。使用快速IGBT后,由于開關速度加快,整個機器的轉換效率可提高2%。當SiC反并聯二極管與快速IGBT結合使用時,功率逆變器的效率將進一步提高。

功率逆變器內部結構

3.軟交換和多級技術

根據諧振原理,軟開關技術可以使開關設備中的電流或電壓根據正弦或準正弦定律變化。當電流自然過零時,器件關斷;當電壓自然過零時,器件導通,從而減少了開關損耗,并解決了電感性斷開和電容性開路的問題。而且,當開關兩端的電壓或流過開關的電流為零時,開關接通或斷開,開關中就沒有開關損耗。三電平功率逆變器主要用于高電壓和高功率場合,與傳統的兩電平結構相比,它可以增加零電平輸出,并將功率器件的電壓應力降低一半。為此原因,在相同的開關頻率下,三電平逆變器可以采用比兩電平逆變器更小的輸出濾波電感,從而可以有效地減少電感損耗,成本和體積。同時,在相同的輸出諧波含量下,三電平功率逆變器可以比兩電平功率逆變器采用更低的開關頻率,更低的開關損耗和更高的轉換效率。

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