三電平變換器無感母排設(shè)計

陳靜

（淮陰師范學(xué)院物電學(xué)院，江蘇淮安 223300）

0 引言

目前，高壓變頻器因其處理功率大、開關(guān)頻率高，回路雜散電感不容忽視。功率器件關(guān)斷過電壓，一方面是變頻器主要EMI干擾源之一;另一方面，導(dǎo)致開關(guān)損耗增加，限制了開關(guān)頻率進一步提高。因此，降低變頻器雜散電感尤為重要。而疊層母排的應(yīng)用，可抑制器件暫態(tài)過電壓，降低空間EMI，提高變頻器工作的可靠性。

1 三電平變換器電壓尖峰的產(chǎn)生

中點箝位型（Neutral Point Clamped—NPC）三電平變換器拓撲如圖1所示。每相橋臂由四個IGBT（Sx1～Sx4）、四個反并聯(lián)二極管和兩個箝位二極管（Dx1、Dx2）組成，其中 x=a、b、c。輸出電壓有三種取值:+Ud/2、0、－Ud/2，對應(yīng)三種開關(guān)狀態(tài) 1、0、－1。

開關(guān)暫態(tài)中，回路雜散電感及高di/dt，導(dǎo)致器件產(chǎn)生關(guān)斷過電壓，擊穿器件［1］。該關(guān)斷過電壓產(chǎn)生的表達式為:

其中Uov是關(guān)斷過電壓過，isw是關(guān)斷電流，Lstray是回路總雜散電感?？梢钥闯觯骷P(guān)斷電壓尖峰與回路雜散電感值有關(guān)，減小雜散電感是最有效的過電壓抑制方法。

圖1 NPC三電平變換器拓撲結(jié)構(gòu)

NPC三電平變換器共有14種基本換流模式，其中8種為強迫換流，6種自然換流［2－3］。經(jīng)分析得出，有4種強迫換流回路是電壓尖峰產(chǎn)生的原因，標記為:回路A、回路B、回路C、回路D，如圖2所示。規(guī)定負載電流方向:由直流側(cè)流向負載側(cè)時，定義為正方向（i＞0）;由負載側(cè)流向直流側(cè)時，定義為負方向（i＜0）。

以圖2（a）為例，Sa1關(guān)斷且Sa3開通時，實線電流減小，虛線電流增大，強感性負載電流iL不變。這兩路突變電流會回路雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。這些連接線路和器件構(gòu)成一個換流回路?；芈冯姼猩系母袘?yīng)電壓和電容電壓疊加在關(guān)斷器件上，導(dǎo)致關(guān)斷過電壓產(chǎn)生。

圖2 四種基本換流回路

2 三電平變換器無感母排設(shè)計原則

疊層母排將多層又寬又薄的矩形銅排疊壓在一起，層間采用絕緣材料間隔開，將IGBT、電容器、散熱器等組合起來，見圖3。使用疊層母排代替普通電纜，具有減少寄生電感、降低空間EMI、改善系統(tǒng)散熱性能、降低生產(chǎn)成本等特點［4］。因此，為了改善開關(guān)暫態(tài)過程，高壓變頻器通常采用疊層母排作為主電路的連接導(dǎo)線。

圖3 疊層母排基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電磁場理論，利用疊層母排實現(xiàn)電感最小化的基本原則是［5］:

（1）換流過程中，有同一高頻電流流過所有參與換流的銅排;

（2）上下層電流形成雙向鏡像回路，且包圍回路面積最小。

三電平變換器每相橋臂有六個等電位連接點，共需要六塊導(dǎo)流母排（見圖2中帶圈數(shù)字標記:①正母線層、②上箝位層、③零母線層、④輸出層、⑤下箝位層、⑥負母線層）。

以換流回路A為例，當Sa1關(guān)斷且Sa3開通時，主電路發(fā)生強迫換流，負載電流從“Sa1－Sa2－負載”切換到“Da1－Sa2－負載”。假設(shè)負載為強感性，換流過程中可將負載電流看成恒定。根據(jù)KCL定律，有:

將iSa1和iDa1分解為直流分量和交流分量兩部分:

將上式帶入到式（2）中，得:

由式（8）可知，流經(jīng)正母排和Sa1的交流電流必定流回到上箝位母排、Da1、零母排和上直流電容C1，即滿足條件（1）。因此，母排疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計思路是，使換流回路面積最小，同時形成雙向鏡像電流路徑，使條件（2）滿足。

3 實驗結(jié)果

本文基于防爆三電平變頻器設(shè)計，根據(jù)技術(shù)參數(shù)，選用雙管串聯(lián)封裝IGBT模塊:Infineon FF1000R17IE4。每相橋臂由3個IGBT模塊連接:1#IGBT（Sx1與Dx1）、2#IGBT（Sx2與Sx3）、3#IGBT（Sx4與Dx2）。由于輸出電壓不存在+Udc/2、－Udc/2之間的直接跳變，因此正、負母排之間不存在直接換流，各自與零母排形成疊層結(jié)構(gòu)［6－7］。

圖4 防爆變頻器換流回路

根據(jù)無感母排設(shè)計原則，確定防爆變頻器功率器件連接排的疊放次序，由上至下設(shè)計為:最上層（正母排、上箝位排、下箝位排），中間（零母排），下層（負母排），見圖4。該疊層結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)換流回路面積最小，上下電流形成雙向路徑，實現(xiàn)雜散電感最小化。

三電平變換器換流回路實際雜散電感值，可通過IGBT實測開關(guān)曲線間接獲得，即測量電流下降率與IGBT關(guān)斷瞬時尖峰電壓。實驗時，直流母線電壓Udc=1 kV，負載為電抗器，關(guān)斷電流約為ILoad=1.016 kA。對Sa1關(guān)斷電壓尖峰進行測試，圖5為Sa1關(guān)斷波形。

圖5 Sa1關(guān)斷電壓尖峰波形

開關(guān)過程電壓過沖US1ov=706 V，查閱數(shù)據(jù)手冊，該型號IGBT實際電流下降時間toff=290 ns，按照下列公式計算回路雜散電感:

根據(jù)IGBT關(guān)斷波形，可以看出，IGBT器件關(guān)斷電壓尖峰被有效抑制在安全工作區(qū)內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文針對三電平變換器拓撲和控制原理，提出無感母排結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，并應(yīng)用到防爆變頻器中。實驗結(jié)果表明，所用疊層母排設(shè)計方法合理，有效抑制了器件關(guān)斷過電壓，為疊層母排的應(yīng)用提供了設(shè)計思路和參考價值。

［1］柳彬.大功率逆變電源IGBT關(guān)斷電壓尖峰抑制研究［J］.艦船科學(xué)技術(shù)，2009，31（12）:62 －65.

［2］白保東，陳晨.隔爆一體式變頻電機的層疊母線設(shè)計［J］.沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2010，47（1）:1 －5.

［3］ Zhiling Qiu.Study and design of non－inductive busbar for high power switching converter［C］. IEEE International Power Electronics Conference，IPEMC，2006，5:1 －4.

［4］易榮，趙爭鳴.高壓大容量變換器中母排的優(yōu)化設(shè)計［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23（8）:94 －100.

［5］汪鋆.基于IGBT的750 kVA三相二極管箝位型三電平通用變流模塊設(shè)計［D］.杭州:浙江大學(xué)，2010.

［6］ Zhiqiang Wang，Guozhu Chen.Study on planar busbar regarding stray inductance minimization and oscillation suppression for high power converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，10:37 － 42.

［7］ Zare F，Ledwich G F.Reduced layer planar busbar for voltage source inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17（4）:508－516.