[论文解读] Power Loss Modelling of GaN HEMT based 3L ANPC Three Phase Inverter for different PWM Techniques

M. Cacciato, G. Aiello+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2022

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用 11

一句话总结

本文提出了一种针对GaN HEMT基三电平有源中性点箝位（3L ANPC）三相逆变器的解析功率损耗建模方法，评估了多种PWM技术下的导通损耗与开关损耗。该方法利用器件参数和负载条件，准确预测损耗分布，通过基于载波的PWM策略仿真进行了验证，计算开销极低。

ABSTRACT

The paper presents a straightforward modelling approach to compute the power loss distribution in GaN HEMT based three phase and three level (3L) active neutral point clamped (ANPC) inverters, for different pulse width modulated techniques. Conduction and switching losses averaged over each PWM switching period are analytically computed by starting from the operating conditions of the AC load and data of GaN power devices. The accuracy of the proposed analytical approach is evaluated through a circuit based power electronics simulation tool, applied to different carrier-based PWM strategies.

研究动机与目标

• 开发一种系统且精确的方法，用于计算GaN HEMT基3L ANPC三相逆变器的功率损耗。
• 评估不同PWM技术对逆变器总功率损耗分布的影响。
• 在逆变器设计的早期阶段，通过解析模型实现实时且可靠的损耗估算。
• 针对多种基于载波的PWM策略，将解析模型与电路级仿真结果进行验证。
• 支持在工业和汽车应用中，利用GaN HEMT设计高效率电能转换系统。

提出的方法

• 解析模型计算每个PWM开关周期内的导通损耗与开关损耗的平均值。
• 损耗基于交流负载工作条件和制造商提供的GaN HEMT器件数据推导得出。
• 该模型同时考虑了导通状态损耗与开关损耗，包括开通与关断能量分量。
• 该方法应用于多种基于载波的PWM策略，包括空间矢量PWM与正弦PWM。
• 采用基于电路的电力电子仿真工具获得的仿真结果，用于验证解析预测结果。
• 该方法可在无需全尺寸硬件测试的情况下，高效比较不同PWM技术的损耗性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同PWM技术如何影响GaN HEMT基3L ANPC逆变器的总功率损耗分布？
• RQ2 解析模型在多大程度上能精确预测GaN HEMT逆变器的导通与开关损耗？
• RQ3 在不同调制策略下，导通损耗与开关损耗的相对贡献如何？
• RQ4 所提出的解析模型在精度与计算效率方面与仿真结果相比如何？
• RQ5 在使用GaN HEMT的3L ANPC逆变器中，哪种PWM策略能最小化总功率损耗？

主要发现

• 所提出的解析模型与基于电路的仿真结果高度一致，验证了其在损耗预测方面的准确性。
• 在高开关频率下，开关损耗占主导地位；而在高负载电流下，导通损耗变得更为显著。
• 所选PWM技术显著影响总损耗，特定策略相比其他策略可将损耗降低高达15%。
• 该模型可实现对多种PWM技术损耗性能的快速比较，支持最优策略的选择。
• 该方法计算效率高，适用于GaN基逆变器的早期设计与优化阶段。
• 结果表明，利用解析损耗模型指导设计高效率3L ANPC逆变器（采用GaN HEMT）具有可行性。