三相全橋逆變器的并聯(lián)均流設(shè)計(jì)

張新民，趙影

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三相全橋逆變器的并聯(lián)均流設(shè)計(jì)

張新民，趙影

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

通過(guò)多臺(tái)小功率的三橋全橋逆變器的并聯(lián)是實(shí)現(xiàn)變頻器大容量輸出的有效方式。通過(guò)并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)電力電子變換裝置的模塊化，易維修，N+1冗余，可靠性及系列化。由于IGBT器件本身參數(shù)、驅(qū)動(dòng)回路參數(shù)、散熱裝置參數(shù)的差異，導(dǎo)致IGBT并聯(lián)時(shí)電流不均衡。本文分析了帶輸出電抗器均流的三相三相全橋逆變器的并聯(lián)均流特性，設(shè)計(jì)了輸出電抗器參數(shù)，給出了仿真和試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果表明了對(duì)并聯(lián)特性分析的合理性及有效性。

全橋逆變器 并聯(lián) 輸出電抗器

0 引言

當(dāng)前電力電子變換裝置通過(guò)多種方式實(shí)現(xiàn)大容量輸出，包括采用功率器件的串聯(lián)[1]，并聯(lián)[2]，多電平拓?fù)鋄3]，或者采用功率單元級(jí)聯(lián)等方式。當(dāng)前，在船舶電力推進(jìn)，鐵路機(jī)車，石油，化工等領(lǐng)域?qū)Υ笕萘孔冾l裝置的需求強(qiáng)烈，雖然各器件生產(chǎn)廠家對(duì)高電壓電流等級(jí)器件研制不斷升級(jí)，依靠模塊化，小容量電力變換裝置的并聯(lián)依然是實(shí)現(xiàn)大容量電力變換裝置的有效方式，可以實(shí)現(xiàn)系列化設(shè)計(jì)，降低研制成本，N+1冗余，易于維修及高可靠性等。

本文研究的全橋逆變器的并聯(lián)基于器件級(jí)的并聯(lián)，通過(guò)在橋臂輸出端配置適當(dāng)大小的電感來(lái)實(shí)現(xiàn)大容量輸出。

1 并聯(lián)系統(tǒng)特性分析

如圖1所示為多個(gè)逆變橋并聯(lián)后驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)的示意圖。個(gè)三相全橋逆變組件通過(guò)輸出電抗器并聯(lián)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并聯(lián)的逆變器共用同一直流母線。1，2，n表示DSP發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)并聯(lián)板分配后給予各個(gè)逆變組件的控制信號(hào)。

當(dāng)不連接輸出電抗器時(shí)，逆變器的并聯(lián)等同于個(gè)器件并聯(lián)的三相橋式逆變器，由于器件參數(shù)及驅(qū)動(dòng)的分散性，各個(gè)器件的電流差異較大，如圖2所示為2個(gè)單相橋臂不帶輸出電抗器并聯(lián)的仿真波形，兩組并聯(lián)單元的驅(qū)動(dòng)脈沖延時(shí)為150 ns，直流母線電壓為1100 V。從圖2可以看出當(dāng)不加輸出電抗器時(shí)，兩個(gè)并聯(lián)管子的電流不均衡程度大，管子的電流不均衡度達(dá)到12.2%，IGBT需要降額使用。

對(duì)圖1所示的并聯(lián)三相橋式電路進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖3所示，V、V、V表示n#逆變器三相橋臂輸出PWM電壓，假設(shè)輸出電抗器串入每個(gè)并聯(lián)支路的電感值相等，不失一般性，對(duì)A相電路進(jìn)行簡(jiǎn)化分析如圖4所示，由于逆變器帶電機(jī)負(fù)載，電機(jī)負(fù)載的電流近似為正弦，將A相電流用正弦電流源來(lái)表示。

定義每個(gè)逆變器的相阻抗

則A相電路的等效戴維南阻抗為

公共連接點(diǎn)電壓

對(duì)電流I求導(dǎo)可得

顯然，并聯(lián)支路的等效阻抗增大時(shí)，支路間的電流不平衡對(duì)阻抗差異的依賴減小，增大阻抗Z的方法有：增大并聯(lián)支路阻性成分，但影響直流電壓利用率；增大并聯(lián)支路感性成分，阻性成分極小。本文采用后者來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)支路間電流的均衡。

由于器件自身參數(shù)差異，及驅(qū)動(dòng)單元CU的延時(shí)差異，使得橋臂輸出電壓V存在差異，考慮兩個(gè)逆變器并聯(lián)的情況，有

顯然當(dāng)支路參數(shù)差異很小時(shí)上式可簡(jiǎn)化為

可見(jiàn)當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電流不平衡與總負(fù)載電流的比值減小，不平衡度降低。由式（8）可得到輸出電抗器的最小值

V為直流母線最大值，⊿為脈沖延遲最大值，為最大允許電流差，為基波電流角頻率。

2 并聯(lián)均流仿真

每相并聯(lián)支路的分析可單獨(dú)進(jìn)行。在Saber軟件中，搭建單相并聯(lián)仿真電路，對(duì)脈沖延遲，輸出電抗不同取值對(duì)并聯(lián)電流不均衡度的影響進(jìn)行仿真，得到電流不平衡度隨延遲時(shí)間及輸出電抗器電感值的變化關(guān)系如圖5所示。由不平衡度曲面知道，關(guān)斷脈沖延遲比開(kāi)通脈沖延遲對(duì)電流不平衡的影響更大。對(duì)于給定的不均衡度指標(biāo)，在脈沖延遲給定范圍下，輸出電抗器電感有一最小值，只要選取的電感超過(guò)最小值，均衡度指標(biāo)便可達(dá)到。

3 并聯(lián)實(shí)驗(yàn)

搭建2個(gè)三相組件并聯(lián)的試驗(yàn)平臺(tái)，直流母線電壓650 V，輸出電抗器取值為13.5 μH，輸出阻感負(fù)載值選為L=0.15 mH，R=1/6W。

并聯(lián)板及光纖板位于1#逆變器側(cè)，并聯(lián)板將光纖板傳送的PWM脈沖分為兩路送給1#及2#逆變器的驅(qū)動(dòng)板，1#逆變器的并聯(lián)板與驅(qū)動(dòng)板直接通過(guò)端子排相連，1#逆變器的并聯(lián)板通過(guò)40 cm排線送給2#逆變器的驅(qū)動(dòng)板。

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得A相上管的V波形如圖6所示。1#逆變器V開(kāi)通關(guān)斷波形均超前于2#逆變器，且關(guān)斷脈沖延遲的程度大于開(kāi)通脈沖，使得1#逆變器的電流大于2#逆變器，相應(yīng)的并聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

從并聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格中可以看出，A、B、C三相并聯(lián)電流不均衡度在小電流時(shí)差異較大，在電流增大時(shí)減小，原因一方面由于鐵芯電抗器在電流較大時(shí)電感值增大，使電流差異減小，另一方面由于IGBT的正溫度系數(shù)，在電流增大導(dǎo)致結(jié)溫升高的同時(shí)，IGBT的壓降增大，使得流過(guò)IGBT的電流減小，起到自動(dòng)均流作用，因此，在電流達(dá)到額定工作點(diǎn)附近，電流的不均衡度較小，控制在7%以內(nèi)，滿足對(duì)并聯(lián)均流指標(biāo)的要求。

表1 并聯(lián)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格

4 結(jié)論

本文分析了帶輸出電抗器的逆變器并流特性，指出逆變器并聯(lián)支路的輸出電流對(duì)阻抗的敏感度隨著支路阻抗的增大而減小?？刹捎迷龃笾犯行猿煞?，減小阻性成分的方式來(lái)平衡并聯(lián)支路電流。通過(guò)對(duì)影響并聯(lián)電流不均衡度的因素的分析，得到了電流不平衡度隨延遲時(shí)間及輸出電抗器電感值的關(guān)系曲面，作為并聯(lián)不均衡度設(shè)計(jì)的依據(jù)。通過(guò)兩個(gè)三相橋組件的并聯(lián)試驗(yàn)，電流的不均衡度控制在7%以內(nèi)，驗(yàn)證了電抗器均流的有效性。

[1] Ju Won Baek. High-voltage switch using series-connected IGBTs with simple auxiliary circuit. Industry Applications, IEEE Transactions on, 2001, 37(6):1832 – 1839.

[2] Nelson, J.J., Venkataramanan, G., Beihoff, B.C. Investigation of parallel operation of IGBTs. Industry Applications Conference, 37th IAS Annual Meeting Conference Record, 2002, 4(10):2585 - 2591.

[3] 丁冠軍，湯廣福，丁明等. 新型多電平電壓源換流器模塊的拓?fù)錂C(jī)制與調(diào)制策略[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009, 29（36）：1-8.

[4] 王峰，裴云慶，姜桂賓等. SPWM逆變電源自動(dòng)主從并聯(lián)系統(tǒng)穩(wěn)定性分析[J]. 電力電子技術(shù), 2004, 38(2): 34-36.

[5] 孔雪娟, 王荊江, 彭力. 采用SVPWM的三相逆變電源的分散邏輯并聯(lián)運(yùn)行[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003, 23(6): 81-86.

[6] 段善旭, 劉邦銀, 林新春等. 基于無(wú)互聯(lián)線均流控制的UPS并聯(lián)系統(tǒng)研究[J].電氣自動(dòng)化，2003, 25(6): 23-26.

Current Balancing of Three-phase Inverters in Paralleling

Zhang Xinmin, Zhao Ying

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM461

A

1003-4862（2013）12-0020-04

2013-03-13

張新民(1987-),男，碩士。研究方向:電力電子技術(shù)。