ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК
ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На сегодняшний день широкое распространение получают различные электротехнические комплексы и системы с использованием устройств силовой электроники. К таким системам можно отнести системы автономного энергоснабжения на базе возобновляемых источников энергии, системы накопления электрической энергии, активные силовые фильтры и компенсаторы реактивной мощности. Ключевым элементом в составе данных комплексов и систем является силовой полупроводниковый преобразователь. Как правило, перечисленные системы преобразования электрической энергии имеют мощность от сотен киловатт до единиц мегаватт. В описываемых системах целесообразно применение высоковольтных многоуровневых полупроводниковых преобразователей. Процесс проектирования данных систем обязательно подразумевает расчет и анализ энергетических показателей качества преобразования электрической энергии, которые в большей степени определяются структурой и алгоритмом управления полупроводникового преобразователя. Одним из таких показателей является коэффициент полезного действия преобразователя, который показывают относительную долю статических и динамических потерь мощности в полупроводниковых приборах. И, если расчет статических потерь мощности в любых полупроводниковых приборах в настоящее время не вызывает затруднений, то с расчетом динамических потерь мощности дела обстоят иначе. На сегодняшний день существует множество различных методик расчета динамических потерь мощности в силовых полупроводниковых приборах. Однако есть ряд особенностей, характерных для расчета динамических потерь мощности в MOSFET транзисторах в многоуровневых полупроводниковых преобразователях. В частности, сложность определения энергии включения и выключения транзистора в многоуровневом преобразователе с векторной ШИМ.

В данной работе представлена методика оценки динамических потерь мощности в MOSFET транзисторах полупроводникового преобразователя. Представленная методика основана на методе переключающих функций и ориентирована на преобразователи, управляемые векторными способами ШИМ. Рассмотрен пример расчета динамических потерь мощности в трехфазном трехуровневом преобразователе напряжения. Проведены экспериментальные результаты, подтверждающие теоретически полученные результаты.

1. Recent advances and industrial applications of multilevel converters / S. Kouro, M. Malinowski, K. Gopakumar, J. Pou, L.G. Franquelo, B. Wu, J. Rodriguez, M.A. Perez, J.I. Leon // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2010. – Vol. 57, iss. 5. – P. 2553–2580.
2. The age of multilevel inverters arrives / L.G. Franquelo, J. Rodriguez, J.I. Leon, S. Kouro, R. Portillo, M.A.M. Prats // IEEE Industrial Electronics Magazine. – 2008. – Vol. 2, iss. 2. – P. 28–39.
3. A review on multilevel converter topologies for electric transportation applications / P. Qashqai, A. Sheikholeslami, H. Vahedi, K. Al-Haddad // Vehicle Power and Propulsion Conference (VPPC): Proceedings, Montreal, Quebec, 19–22 October 2015. – Piscataway, NJ: IEEE, 2015. – P. 1–6.
4. Jokinen M., Lipsanen A. Fundamental study of 2-level and 3-level frequency converters // Assignement on Converter Losses, Multilevel Topologies. – Smola, Norway, 2005. – P. 1–5.
5. Analytical calculation of the average and RMS currents in three-level NPC inverter with SPWM / Q.-Y. Meng, W.-M. Ma, C. Sun., G.-S. Jie, W. Qui // Proceedings of 35^th Annual conference of the IEEE Industrial Electronics Society – IECON 2009, Porto, Portugal, 3–5 November 2009. – Porto, 2009. – P. 248–253.
6. Switching loss analysis of modulation methods used in neutral point clamped converters / D. Andler, S. Kouro, M. Perez, J. Rodriduez, B. Wu // IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009, 20–24 September 2009, San Jose, California. – San Jose, 2009. – P. 2565–2571.
7. Analysis and comparison of conduction losses in neutral-point-clamped three-level inverter with PWM control / Q. Wang, Q. Chen, W. Jiang, C. Hu // Proceedings of International Conference on Electrical Machines and systems, October 8–11, Seul, South Korea. – Seul, 2007. – P. 143–148.
8. Dieckerhoff S., Bernet S., Krug D. Power loss-oriented evaluation of high voltage IGBTs and multilevel converters in transformerless traction applications // IEEE Transactions on Power Electronics. – 2005. – Vol. 20, iss. 6. – P. 1328–1336.
9. Брованов С.В., Дыбко М.А. Методика расчета токов силовых ключей многоуровневых полупроводниковых преобразователей // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2011. – № 1. – С. 84–94.
10. Брованов С.В., Дыбко М.А. Расчет динамических потерь в многоуровневых полупроводниковых преобразователях с емкостным делителем напряжения // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2011. – № 2. – С. 46–55.
11. Брованов С.В. Комбинации состояний ключей и анализ электромагнитных процессов в многоуровневых преобразователях // Электротехника. – 2009. – № 6. – С. 20–27.
12. Теоретический и практический аспекты реализации векторной ШИМ в трехфазном трехуровневом выпрямителе / С.А. Харитонов, А.Н. Колесников, С.В. Брованов // Техническая электродинамика: тематический выпуск. – Киев, 2007. – Ч. 2. – С. 39–44.
13. Брованов С.В., Гришанов Е.В. Анализ скалярной и векторной широтно-импульсных модуляций для однофазных многоуровневых полупроводниковых преобразователей с фиксирующими диодами // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. – 2014. – № 4. – С. 47–56.
14. Graovac D., Purschel M., Kiep A. MOSFET power losses calculation using the data-sheet parameters // Infineon Application Note. – 2006. – Vol. 1.1. – P. 1–23.