復(fù)合母排中點(diǎn)電流的研究

鄧晨，潘啟軍，黃垂兵，吳文力

復(fù)合母排中點(diǎn)電流的研究

鄧晨，潘啟軍，黃垂兵，吳文力

(海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430033)

本文以NPC三電平逆變器為例，研究了復(fù)合母排端口參數(shù)矩陣的提取方法及復(fù)合母排多端口電路模型的建模方法，并且利用母排多端口模型搭建了NPC三電平逆變器的仿真系統(tǒng)。根據(jù)中點(diǎn)電流的形成原理以及震蕩的機(jī)理，分析了逆變器元件的雜散參數(shù)對(duì)中點(diǎn)電流的影響。測結(jié)果驗(yàn)證了仿真計(jì)算的可靠性與有效性，該分析和仿真計(jì)算方法可用于指導(dǎo)復(fù)合母排的參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化設(shè)計(jì)。

復(fù)合母排 逆變器 多端口模型 中點(diǎn)電流 仿真計(jì)算

0 引言

隨著大容量電能變換技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合母排得以廣泛應(yīng)用[1-6]。然而，由于復(fù)合母排和功率器件都存在雜散參數(shù)，其中雜散電感除了會(huì)在開關(guān)器件動(dòng)作時(shí)形成過電壓尖峰外，還會(huì)與輸出電流作用在電容母排與傳輸母排的中點(diǎn)形成振蕩電流，加大了電流峰值，增加了高頻損耗。

另一方面，精確的計(jì)算機(jī)電路仿真不僅能對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效檢驗(yàn)，提高分析和設(shè)計(jì)能力，還可以與實(shí)物試制和調(diào)試相互補(bǔ)充，最大限度地降低設(shè)計(jì)成本，縮短系統(tǒng)研制周期。

本文以NPC三電平逆變器為例，利用多端口模型的原理在Ansoft Q3D軟件中提取出描述母排特性的多端口模型，計(jì)算了母排相關(guān)雜散參數(shù)，從而得到復(fù)合母排中點(diǎn)電流的仿真數(shù)據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 復(fù)合母排中點(diǎn)電流的形成

逆變器電路聯(lián)接關(guān)系如圖1所示，其功率電路主要包括三大部分：以電容母排為主的支撐電容單元，共1塊；以功率傳輸母排為主的能量傳輸單元，聯(lián)接支撐電容與功率半橋單元，共1塊；以IGBT母排為主的功率半橋單元，主要有A相、B相、C相和制動(dòng)單元，共4塊。直流電源通過直流母線連接到電容母排，再通過匯流排（中點(diǎn)）和熔斷器（正負(fù)極）連接到傳輸母排，最后連接到三相IGBT母排和制動(dòng)單元母排。除了主電路外，還有PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生電路及負(fù)載電路。

圖1 逆變器電路連接關(guān)系圖

三相三電平逆變器的每相都有P、O、N三種開關(guān)狀態(tài)，將三相的開關(guān)狀態(tài)相互組合則能輸出3×3=27種不同的狀態(tài)，按照空間矢量的定義及基本矢量幅值的不同，可將27個(gè)矢量進(jìn)行如表1所示進(jìn)行分類。

表1 三電平逆變器基本矢量分類表

表1中開關(guān)輸出狀態(tài)第一個(gè)字母表示A相輸出狀態(tài)，第二個(gè)表示B相的輸出，第三個(gè)表示C相的輸出狀態(tài)。由于長矢量開關(guān)狀態(tài)的每相是直接接到母線的正端或負(fù)端，因此它的中線不會(huì)有電流，就不會(huì)影響中點(diǎn)電壓的平衡；對(duì)于三個(gè)零矢量開關(guān)狀態(tài)而言，因?yàn)槟孀兤髟诹闶噶繝顟B(tài)時(shí)不工作，所以零矢量對(duì)中點(diǎn)電壓也沒有影響[7,8]，如圖2所示。

而中矢量和短矢量的開關(guān)狀態(tài)至少有一相負(fù)載與電容母排中點(diǎn)相連，并和正或負(fù)母線形成回路，如圖3所示。

這18個(gè)開關(guān)狀態(tài)（12個(gè)短矢量開關(guān)狀態(tài)和6個(gè)中矢量開關(guān)狀態(tài)）作用的任意時(shí)刻，流入或流出中點(diǎn)電流的絕對(duì)值一定等于某相電流i的絕對(duì)值，表2給出了這18個(gè)開關(guān)狀態(tài)對(duì)電容母排中點(diǎn)電流o影響的具體情況。

圖2 長矢量和零矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響

圖3 中矢量和短矢量對(duì)中點(diǎn)電流的影響

表2 不同開關(guān)狀態(tài)下的中點(diǎn)電流

綜上所述，三相三電平中點(diǎn)電流是由開關(guān)決定的，在不同的開關(guān)狀態(tài)下，其瞬間值等于某一相的輸出電流。

2 復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩機(jī)理

實(shí)際的逆變器電路包含用于緩沖吸收的電容及大量的寄生分布參數(shù)，主要包括：

1）支撐電容器C1及其分布電阻ESR1和分布電感ESL1；

2）電容母排吸收電容C2及其分布電阻ESR2和分布電感ESL2；

3）電容母排到傳輸母排的分布電阻Rbus1及電感Lbus1（含連接銅排和熔斷器）；

4）傳輸母排的吸收電容C3及其分布電阻ESR3和分布電感ESL3；

5）傳輸母排到IGBT母排的分布電阻Rbus2和分布電感Lbus2；

6）IGBT母排的吸收電容C4及其分布電阻ESR4和分布電感ESL4。

以表2的中POO開關(guān)狀態(tài)為例，加入電路的分布參數(shù)（由于同一類分布參數(shù)具有相似性，圖中的分布參數(shù)代表某一類器件或線路）可得到如圖4所示的電流回路。

圖4 帶分布參數(shù)的POO狀態(tài)時(shí)回路示意圖

從圖4可以看出，由于PWM動(dòng)作產(chǎn)生豐富的高次諧波成分，在POO狀態(tài)時(shí)AT1和AT2的開關(guān)動(dòng)作形成的電流為電路提供激勵(lì)源使電路產(chǎn)生階躍響應(yīng)。若用開關(guān)管的開關(guān)電流等效為激勵(lì)電流源，將圖4中的RLC進(jìn)行串并聯(lián)的簡化可得到如圖5所示的二階電路。

圖5 POO狀態(tài)時(shí)電流的回路等效電路

圖5中R為等效電阻，為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的回路電阻；L為等效電感，為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的回路電感，C為等效電容，為支撐電容與傳輸母排聯(lián)接端到IGBT吸收電容之間總的并聯(lián)電容。

由圖5可知，只要有PWM開關(guān)動(dòng)作，就會(huì)產(chǎn)生高頻激勵(lì)源，由于支撐電容、吸收電容、分布電阻和分布電感等參數(shù)的存在，且這些參數(shù)滿足一定關(guān)系電路中的電流就會(huì)產(chǎn)生振蕩。

3 復(fù)合母排多端口模型的建模

復(fù)合母排因集成安裝了諸如支撐電容、吸收電容和IGBT及二極管等功率器件，端口多，結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。但將端口與端口間孤立來看不外乎電阻、分布電感及電容等關(guān)系，如果能將復(fù)合母排每個(gè)端口的關(guān)系都運(yùn)用電路仿真語言描述出來，對(duì)應(yīng)相應(yīng)的電路元件符號(hào)，就可以建立復(fù)合母排的電路仿真模型。

本文運(yùn)用Ansoft Q3D軟件，提取了復(fù)合母排各端口參數(shù)矩陣，將其輸出為Pspice電路模型，再將Pspice模型轉(zhuǎn)化成Saber電路模型。

在Ansoft Q3D中分別建立電容母排、傳輸母排和IGBT母排（功率器件母排）模型，根據(jù)上述方法對(duì)三種母排進(jìn)行信號(hào)加載，以電容母排的加載為例，如圖6所示。

圖6 電容母排端口的加載

圖6中Sink_Ain、Sink_Bin、Sink_Cin為直流正極、負(fù)極和中點(diǎn)的進(jìn)線端；Source_Aout、Source_Bout、Source_C1out、Source_C2out和Source_C3out為連接傳輸母排的出線端；Source_Cap_A1到Source_Cap_A4為兩個(gè)上支撐電容的正極連接端；Source_Cap_C1到Source_Cap_C8為四個(gè)支撐電容的中點(diǎn)連接端；Source_Cap_B1到Source_Cap_B4為兩個(gè)下支撐電容的負(fù)極連接端。

將復(fù)合母排各端口加載完成后，在Ansoft Q3D中計(jì)算模型的、、參數(shù)，即可得到復(fù)合母排多端口參數(shù)矩陣，然后在Ansoft Q3D中的輸出*.Cir的等效電路模型文件?？稍赑spise的Model Editor新建一個(gè)元件模型，將*. Cir文件導(dǎo)入, 生成后綴名為.Lib的模型文件和后綴名為.olb的多端口電路模型。在得到復(fù)合母排的Pspise多端口仿真模型后，利用Saber提供的Nspito工具可以將Pspice模型轉(zhuǎn)成Saber模型。先將后綴名為.Lib的模型文件轉(zhuǎn)化為后綴名為.Sin的Saber中仿真所用的MAST語言文件。在完成*.Sin文件的轉(zhuǎn)化完成后，需要在SaberSketch中為多端口模型建立后綴名為.ai_sym符號(hào)文件,將符號(hào)的名字存為模型的名字，并和模型后綴名為.sin文件保存在同一目錄下，以便軟件自動(dòng)為符號(hào)和模型建立映射關(guān)系。只要映射關(guān)系正確就可以在Saber仿真中直接調(diào)用復(fù)合母排的多端口模型。

4 復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩的仿真與驗(yàn)證

根據(jù)第3節(jié)所述的復(fù)合母排中點(diǎn)電流震蕩機(jī)理以及二階電路的原理可知當(dāng)?shù)刃Щ芈穲D5中的參數(shù)滿足：

回路中的電路即產(chǎn)生振蕩，其振蕩周期為：

根據(jù)支撐電容、吸收電容和熔斷器的參數(shù)手冊及復(fù)合母排仿真計(jì)算結(jié)果得到R=0.1226 mΩ，L=1.2298 nH，C=98.78 mF。根據(jù)式（2）計(jì)算可得到振蕩周期為=82.89 μs。

圖7為逆變器正極熔斷器下方、負(fù)極熔斷器上方中點(diǎn)銅排實(shí)測電流波形，其振蕩周期約為82 μs。

由此可見仿真計(jì)算出的數(shù)據(jù)=82.89 μs，與實(shí)測的82 μs基本吻合。

5 結(jié)論

本文以NPC三電平逆變器為例，研究了復(fù)合母排端口參數(shù)矩陣的提取方法及復(fù)合母排多端口電路模型的建模方法，分別建立了復(fù)合母排多端口Saber仿真模型，并且利用母排多端口模型搭建了NPC三電平逆變器的仿真系統(tǒng)，根據(jù)中點(diǎn)電流的形成原理以及震蕩的機(jī)理，分析了逆變器元件的雜散參數(shù)對(duì)中點(diǎn)電流的影響，通過實(shí)測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性，為逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

圖7 電容母排中點(diǎn)電流時(shí)域波形

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Study on Midpoint Current of Compound Busbar

Deng Chen, Pan Qijun, Huang Chuibing, Wu Wenli

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033 China)

TM72

A

1003-4862（2014）02-0038-04

2013-05-16

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目（2013CB035601）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51077129）

鄧晨（1990-）, 男，研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。