三電平逆變器驅(qū)動電路的應(yīng)用

摘 要：文章對目前變頻器的研究熱點(diǎn)三電平技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)作了簡要敘述。在應(yīng)用的基礎(chǔ)上對逆變器的驅(qū)動電路部分作了介紹。并對Semikron公司生產(chǎn)的驅(qū)動電路作了詳細(xì)的介紹，給出了一種常用的電路及其參數(shù)。

關(guān)鍵詞：變頻器；驅(qū)動電路；短路

引言

三電平逆變器是以電力系統(tǒng)中直流輸電、無功功率補(bǔ)償、電力有源濾波等應(yīng)用發(fā)展的需求，高壓大功率交流電動機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)大量應(yīng)用的需求，以及20世紀(jì)70年代以來兩次世界性的能源危機(jī)和當(dāng)前嚴(yán)重的環(huán)境污染引起的世界各國對節(jié)能技術(shù)與環(huán)保技術(shù)的廣泛關(guān)注為背景的[1]。而經(jīng)過20多年的發(fā)展，IGBT表現(xiàn)出了很強(qiáng)的生命力，其開關(guān)性能經(jīng)歷五代改進(jìn)也日臻完善，同時，IGBT的容量等級也在快速提升，單管電壓已達(dá)6500V，無均流并聯(lián)電流已達(dá)3300A，已成為基本上取代了GTR，并在很多應(yīng)用領(lǐng)域挑戰(zhàn)GTO的電力半導(dǎo)體開關(guān)器件[2-3]。

驅(qū)動電路的結(jié)構(gòu)和參數(shù)會對IGBT的運(yùn)行性能產(chǎn)生顯著影響，如開關(guān)時間、開關(guān)損耗、短路電流保護(hù)能力和抗dv/dt的能力等。因此，根據(jù)IGBT的型號類型和參數(shù)指標(biāo)合理設(shè)計驅(qū)動電路對于充分發(fā)揮IGBT的性能是十分重要的[4-5]。

1 三電平NPC逆變器技術(shù)

在對二極管箱位型三電平逆變器電路和波形[6]分析之后，可以概括出三電平逆變器相對于兩電平拓?fù)溆幸韵聝?yōu)點(diǎn)[7]：

1.1 NPC三電平逆變器能夠很好的解決電力電子開關(guān)耐壓不夠高的問題。由于每相輸出電壓在■-0或者■-0之間，器件承受的關(guān)斷電壓只有直流回路電壓的一半，器件受到的電壓應(yīng)力小，系統(tǒng)可靠性有所提高；

1.2 三電平逆變器輸出電壓電平數(shù)增加后，各級電平間的幅值變化降低，低的dv/dt對外圍電路的干擾小，電磁干擾降低，在開關(guān)頻率附近的諧波幅值也小得多；

1.3 由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀更接近正弦。在同樣的開關(guān)頻率下，諧波比兩電平要低得多；

1.4 在同樣的直流電壓Vdc下，三電平拓?fù)涫褂玫拈_關(guān)數(shù)目并不比兩電平逆變器多。

其中逆變電路如圖1所示

圖1 三電平逆變電路圖

其工作原理通過驅(qū)動IGBT的導(dǎo)通關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)所需要的電壓。本實(shí)驗(yàn)采用電機(jī)30KW，IGBT選用西門子公司生產(chǎn)的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。IGBT的驅(qū)動是其中的關(guān)鍵之一。

2 驅(qū)動模塊簡介

本三電平驅(qū)動電路使用SKYPERTM32驅(qū)動內(nèi)核，該模塊是Semikron公司推出的基于半橋電路的IGBT驅(qū)動模塊，它包含了所有驅(qū)動功能，并簡化了門級驅(qū)動電路。有兩路輸出通道，具有欠電壓，短路保護(hù)。驅(qū)動電流可達(dá)15A。

2.1 驅(qū)動電源

驅(qū)動電源要求15V，精度15V±4%。由于驅(qū)動板每個通道功率裕量不超過5W，實(shí)際使用12個IGBT，實(shí)際驅(qū)動電源使用15V±3%，額定電流13A，電源精度和功率都滿足要求。

2.2 驅(qū)動能力

由于IGBT的驅(qū)動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種場控器件。其開通和關(guān)斷是由于柵極和發(fā)射極間的電壓uge決定的，當(dāng)uge為正且大于開啟電壓時，MOSFET內(nèi)形成溝道，并為晶體管提供基極電流進(jìn)而使IGBT導(dǎo)通。當(dāng)柵極與射極間施加反向電壓時，MOSFET內(nèi)溝道消失，晶閘管的基極電力被切斷，是IGBT關(guān)斷。由于IGBT驅(qū)動原理相當(dāng)于給門級輸入電容一個充電的過程，所以其開關(guān)速度和輸入電容有很大的關(guān)系。驅(qū)動板最大輸出開關(guān)頻率為fmax=IoutAVmax/QGE，其中IoutAVmax為最大輸出平均電流，QGE為被驅(qū)動的IGBT所需要的柵極電荷，可根據(jù)IGBT參數(shù)中的中輸入電容Ciss計算，QGE=■Ciss？駐u2（根據(jù)驅(qū)動板情況？駐u=22V）。

2.3 欠壓保護(hù)

2.3.1 欠電壓復(fù)位

可以把PRIM_nPWRFAIL_IN管腳當(dāng)作復(fù)位功能管腳和電源相接。若電源復(fù)位，該管腳被輸入低電平，驅(qū)動被復(fù)位。當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常，驅(qū)動回復(fù)正常準(zhǔn)備好狀態(tài)。

2.3.2 低電壓保護(hù)

如果門級驅(qū)動電壓過低則可能導(dǎo)致IGBT將不再完全受控。因?yàn)殚T級電壓比較低，IGBT可能工作在線性區(qū)，通流能力降低，損耗大，可能導(dǎo)致發(fā)生過熱過載。如果內(nèi)部驅(qū)動內(nèi)部監(jiān)測到供電電壓小于13.5V，驅(qū)動發(fā)出關(guān)斷信號，關(guān)斷IGBT，輸入側(cè)脈沖無效，同時錯誤信號置位。

若驅(qū)動板二次側(cè)下降，驅(qū)動輸出信號，關(guān)斷IGBT，輸入側(cè)脈沖無效，無錯誤信號輸出。

2.4 電壓隔離

由于驅(qū)動內(nèi)部試使用了隔離變壓器，脈沖輸出是不共地的，得到了隔離脈沖。不再需要外部電源的隔離。

2.5 短脈沖抑制

短脈沖抑制可以抑制脈寬小于625ns以下的干擾錯誤信號，防止其導(dǎo)致IGBT誤導(dǎo)通，提高抗干擾能力。只有脈寬大于750ns的開關(guān)信號才有效，介于二者之間的開關(guān)信號可能有效或被抑制，其原理如圖所示。

圖2 短脈沖抑制原理圖

2.6 死區(qū)時間設(shè)置

死區(qū)時間設(shè)置可防止上下橋壁同時導(dǎo)通導(dǎo)致直通短路。該驅(qū)動板可用PRIM_CFG_TDT1_IN1，PRIM_CFG_TDT1_IN2，PRIM_CFG_T

DT1_IN3，PRIM_CFG_SELECT_IN四個管腳設(shè)置不同的死區(qū)時間，死區(qū)時間表如下，其中GND為接地，open為不接。

表1 死區(qū)時間表

2.7 動態(tài)短路保護(hù)

動態(tài)短路保護(hù)可以監(jiān)測IGBT開通后集射極電壓，在經(jīng)過一定的時間后（Tbl，由外部電路可設(shè)置）后將VCE和外部可調(diào)的參考電壓VCESTAT相比較，一旦監(jiān)測到的電壓大于參考電壓，立刻關(guān)斷該路的輸出，并將故障信號傳送至原邊的故障存儲區(qū)，記錄故障。并且封鎖后續(xù)的開通信號。其中消隱時間和參考電壓設(shè)置可分別由電容Cce和Rce來設(shè)置，其中消隱時間設(shè)置公式為

門檻電壓設(shè)置公式為 。

其中消隱時間應(yīng)根據(jù)實(shí)際IGBT導(dǎo)通特性設(shè)置，Tbl>IGBT電壓下降到飽和狀態(tài)壓降。門檻電壓應(yīng)大于IGBT飽和壓降。其可能出現(xiàn)的錯誤情況有以見圖3下幾種。

2.8 軟關(guān)斷

在短路情況下，IGBT會被強(qiáng)制關(guān)斷，du/dt過大，可能導(dǎo)致IGBT損壞。設(shè)置軟關(guān)斷，相當(dāng)于在對門級關(guān)斷電阻串聯(lián)了電阻，可以使關(guān)斷速度減慢，比正常情況下關(guān)斷時間增大。

2.9 輸出

驅(qū)動模塊的輸出級采用MOSFET晶體管，MOSFET的源級與外部端子連接，通過串聯(lián)的開通或關(guān)斷電阻（RON或ROFF）分別天界IGBT的開通和關(guān)斷時間。該電路設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)是能針對開通過電流，關(guān)斷過電壓及短路時的不同情況采取單獨(dú)的開通和關(guān)斷優(yōu)化處理。門級-射極電阻可防止電容非正常充電。電阻值的選取受直流母線電壓的影響、電路寄生電感、開關(guān)頻率及IGBT型號等因素的影響。

3 應(yīng)用

本實(shí)驗(yàn)為三電平變頻器，和一般兩點(diǎn)平有所不同。電機(jī)功率為33KW每個驅(qū)動板為可輸出兩路驅(qū)動信號，此次實(shí)驗(yàn)用六個驅(qū)動板，共輸出12路脈沖。驅(qū)動電路如圖4所示。IGBT選用西門子公司生產(chǎn)的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。其參數(shù)Vsat為2.7V，開通時間為600ns，設(shè)置參考電壓Vref為5.5V，消隱時間為5.1us，根據(jù)計算公式選取電阻Rce18K，Cce330uf。開通和關(guān)斷電阻都選用5.6？贅，由于開關(guān)頻率一般不到10K，電阻功率選擇為1W已經(jīng)綽綽有余。

圖4 驅(qū)動電路的應(yīng)用圖

4 結(jié)論

本文針對三電平變頻器的優(yōu)點(diǎn)作了概述，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對驅(qū)動板的使用做了詳細(xì)的介紹，并對驅(qū)動板中一些參數(shù)的計算和元件的選取做了說明。

參考文獻(xiàn)

[1]趙彥威.基于可變電抗器技術(shù)的智能型固態(tài)軟起動器的研究[J].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.1-2.

[2]秦曾煌.電工學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

[4]李忠臣，安繼民，陳民，等.基于開關(guān)變壓器技術(shù)的中壓（3～10kV）.

[5]電機(jī)軟啟動裝置[J].電氣傳動，2003，33（1）：22-24.

[6]林國艷.異步電動機(jī)軟起動器的研究[D].大連：大連理工大學(xué)，2006.4-5.

[7]OWEN A， ANTONIO G， ROSANA E， et al. Process modeling and control using a single neural network [ C]∥IEEE International Conference on Systems Man and Cybernetics， Humans，Information and Technology. Sandiego， CA， USA： IEEE， 1994：475-1480.

[8]黃邵剛，黃華高，季國瑜.基于Matlab的異步電機(jī)軟起動過程的仿真[J].計算機(jī)仿真，2003，20（7）：101-104.

[9]洪乃剛等.電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)的Matlab仿真[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：黃釗：1987.8，性別：男，民族：漢，籍貫：皖碭山，學(xué)歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：自動化。