准Z源逆变器不同调制策略下功率模块的可靠性研究

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逆变器作为电动汽车的核心,其可靠性直接影响汽车性能。准Z源逆变器具有单级系统升降压功能,允许逆变器上、下桥臂器件同时导通(直通)来抬高直流母线电压,可靠性高,在电动汽车应用领域备受关注。准Z源逆变器升压是通过调制策略加入直通状态来实现,不同直通调制策略下功率模块开关器件的开关次数和直通电流存在差异,导致器件损耗和温升不同,从而器件可靠性会受直通调制策略影响。本文对现有三种直通SVPWM策略调制下的三相电压型准Z源逆变器功率模块IGBT进行了可靠性理论及仿真分析,并根据前述研究,提出一种混合调制策略来提高准Z源逆变器功率模块器件可靠性,搭建了MATLAB/Simulink仿真模型,仿真结果验证了所提混合调制策略的有效性。首先,本文介绍了(准)Z源逆变器三种直通SVPWM策略(最大升压调制、改进型简单升压调制和改进型最大升压调制策略)的原理,并分析三种调制策略下准Z源逆变器直流母线电压及IGBT功率模块的直通桥臂数目、开关次数和直通占空比,为各调制策略下IGBT损耗和结温分析提供基础。其次,根据三种直通调制策略功率模块IGBT的开关次数和直通电流,推导了各策略下IGBT平均损耗计算公式。基于平均损耗和瞬时损耗详细分析了各调制策略下IGBT的平均结温和结温波动,并采用Coffin-Manson寿命模型对IGBT进行寿命预测,将三种调制策略下IGBT损耗、平均结温、结温波动和使用寿命分别进行比较。在MATLAB/Simulink软件中搭建三种直通调制策略下三相电压型准Z源逆变器电路模型及其IGBT损耗、结温和寿命预测模型,仿真结果验证上述三种直通调制策略IGBT可靠性分析的正确性。最后,基于上述分析所得各调制策略下IGBT可靠性的特点,提出一种适用于输出电流幅值变化工况的混合调制策略,提高准Z源逆变器功率模块IGBT可靠性。通过MATLAB/Simulink建模仿真,结果表明,所提混合调制策略在输出电流变化的工况下能达到减小IGBT结温波动和延长其使用寿命的目的,从而提高准Z源逆变器功率模块IGBT可靠性。
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