三電平逆變器實(shí)時(shí)開關(guān)特性在線檢測(cè)方法研究

宋明軒，馮源，張?zhí)?，何鳳有，高捷

（中國礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221000）

在過去的三十年中，多電平變換技術(shù)得到了長足的發(fā)展。目前應(yīng)用最為廣泛的多電平變流器拓?fù)錇橹悬c(diǎn)鉗位型（neutral point clamped，NPC）三電平結(jié)構(gòu)[1]。

其中，作為電力電子器件的絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）是NPC三電平逆變器的核心[2]。NPC三電平逆變器的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，每一相橋臂都由多個(gè)IGBT和二級(jí)管構(gòu)成。這種多器件的結(jié)構(gòu)使得在實(shí)際的應(yīng)用過程中，很難對(duì)IGBT等功率器件進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。這對(duì)NPC三電平逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障預(yù)防造成了很大的阻礙，根據(jù)相關(guān)調(diào)查，在變頻調(diào)速系統(tǒng)中逆變器故障占整體驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障的82.5%，另外在光伏電站運(yùn)營過程中，逆變器系統(tǒng)故障比例占整體光伏電站常見故障的60%[3]。

當(dāng)前大部分針對(duì)功率器件的測(cè)試都是基于雙脈沖測(cè)試或在特定的電路中[4]進(jìn)行，無法得知功率器件在逆變器中的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)。所以目前急需一種在線檢測(cè)方法，文獻(xiàn)[5]提出了一種電流在線檢測(cè)方法，在兩個(gè)鉗位二極管以及負(fù)載處安裝羅氏線圈，測(cè)量結(jié)果比較精確，但是檢測(cè)裝置的安裝較為困難，并且只對(duì)功率器件的電流進(jìn)行檢測(cè)，沒有對(duì)電壓進(jìn)行檢測(cè)。

本文針對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種電流和電壓在線檢測(cè)方法。在一個(gè)單相橋臂中，僅需要3個(gè)電流檢測(cè)單元和3個(gè)電壓檢測(cè)單元就能計(jì)算出模塊內(nèi)的4個(gè)IGBT和2個(gè)鉗位二極管的電流和電壓。并且本方法能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地反映NPC三電平逆變器運(yùn)行過程中功率器件開關(guān)瞬態(tài)的狀態(tài)。

1 三電平逆變器換流回路分析

在不考慮二極管的反向恢復(fù)、回路寄生電感以及IGBT的等效電容影響的理想情況下，分析NPC三電平逆變器單相橋臂的運(yùn)行狀態(tài)。根據(jù)負(fù)載電流iL的方向，可以將逆變器的換流回路分為圖1中的6條[6-7]。

圖1 NPC三電平逆變器單相橋臂換流回路Fig.1 Single phase bridge arm commutation circuit of NPC three-level inverter

圖1中，iT1，iT2，iT3，iT4分別為 4 個(gè) IGBT 的電流；iD1，iD2為鉗位二極管的電流；i+和i-分別為正、負(fù)母線電流；iL為負(fù)載電流；S1～S6為標(biāo)記的6條電流回路。

根據(jù)三電平逆變器的開關(guān)特性，T1與T3為互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)，T2與T4為互補(bǔ)開關(guān)狀態(tài)。設(shè)iL流向負(fù)載的方向?yàn)檎较颉?/p>

當(dāng)iL＞0時(shí)，逆變系統(tǒng)的電流路徑如圖1a所示，電流回路在S1，S2和S3之間轉(zhuǎn)換。T2保持導(dǎo)通時(shí)，T1的開關(guān)動(dòng)作使電流回路在S1和S2之間切換；T3保持導(dǎo)通時(shí)，T2的開關(guān)動(dòng)作使電流回路在S2和S3中切換。

當(dāng)iL＜0時(shí)，逆變系統(tǒng)的電流回路如圖1b所示，電流回路在S4，S5和S6之間轉(zhuǎn)換。T3保持導(dǎo)通時(shí)，T4的開關(guān)動(dòng)作使電流回路在4和5中切換；T2保持導(dǎo)通時(shí)，T3的開關(guān)動(dòng)作使電流回路在S4和S6中切換。

2 檢測(cè)模型的建立

基于上述分析，根據(jù)電路的基爾霍夫定律，可以對(duì)檢測(cè)裝置的安裝位置進(jìn)行確定。

在目前大功率的逆變器裝置中，通常采用的是層疊母排的布線方式，再加上功率器件的模塊化設(shè)計(jì)，使得功率器件的電流與電壓不易直接測(cè)量，通過間接測(cè)量的方式，可以較為方便地得到功率器件的狀態(tài)，測(cè)量單元的安裝位置如下圖2所示。

圖2 NPC三電平逆變器單相橋臂測(cè)量單元安裝位置Fig.2 Installation position of single phase bridge arm detection device for NPC three-level inverter

圖2中，Q1，Q2和 Q3為電流測(cè)量單元，Q1測(cè)量正母線電流i+，Q2測(cè)量負(fù)母線電流i-，Q3測(cè)量負(fù)載電流iL，電流正方向?yàn)閳D2a中的箭頭所示；TQ1，TQ2，TQ3為電壓測(cè)量單元，VTQ1為 T2的集射極電壓，VTQ2為T3的集射極電壓，VTQ3為負(fù)載和零母線之間電壓。

2.1 電流模型的建立

經(jīng)過上述對(duì)電流回路的分析，可以建立理想情況下的電流檢測(cè)模型：

可以看出，針對(duì)負(fù)載電流正負(fù)的不同，每個(gè)功率器件的電流都有各自對(duì)應(yīng)的表達(dá)式，表明理想情況下，可以通過間接測(cè)量的方法得到各個(gè)功率器件的電流。

在實(shí)際的開關(guān)瞬態(tài)，由于IGBT等效電容、二極管的反向恢復(fù)以及母排雜散電感的影響，系統(tǒng)在進(jìn)行換流時(shí)存在小的換流回路，會(huì)影響測(cè)量精度[8]。

以iL＞0，電流在S1和S2之間切換為例，T1開通，T3關(guān)斷，換流發(fā)生在T1開通瞬態(tài)，此時(shí)T3，T4處于關(guān)斷狀態(tài)，由于IGBT等效輸出電容的存在，處于關(guān)斷狀態(tài)IGBT的集射極間電壓突變時(shí)，會(huì)有電流流過等效電容，而T4端電壓被D2鉗位不能上升，T3端電壓的改變會(huì)使電流經(jīng)過它的寄生電容，與此同時(shí)D1發(fā)生反向恢復(fù)，使得兩個(gè)鉗位二極管中都會(huì)有電流經(jīng)過，對(duì)計(jì)算的結(jié)果產(chǎn)生影響；但當(dāng) T1關(guān)斷時(shí)，電流回路由S2轉(zhuǎn)換為S1，T3端電壓為0，T4端電壓變化，會(huì)產(chǎn)生微小的電流，D2電流始終為0，此時(shí)小電流影響較小。同理，由于非理想因素的存在，在其他換流過程發(fā)生時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生小電流回路影響間接測(cè)量的結(jié)果。通過實(shí)驗(yàn)確定其影響，進(jìn)行誤差的分析。

2.2 電壓模型的建立

在不考慮功率器件以及母排中的雜散電感的理想情況下，根據(jù)基爾霍夫定律，可以列出各個(gè)功率器件模塊的集射極電壓表達(dá)式?？闪谐隼硐腚妷耗Ｐ腿缦拢?/p>

式中：V+為正母線電壓；V-為負(fù)母線電壓；VT1，VT2，VT3，VT4分別為T1～T44個(gè)IGBT的集射極電壓；VD1，VD2為兩個(gè)鉗位二極管兩端電壓。

在實(shí)際應(yīng)用中，IGBT模塊封裝內(nèi)部以及母排具有一定的雜散電感[9]，在IGBT開關(guān)瞬態(tài)，過高的電流變化率會(huì)使得雜散電感產(chǎn)生較大的感應(yīng)電勢(shì)，造成測(cè)量誤差。單相NPC三電平電路的簡化雜散電感分布示意圖如圖3所示。圖3中，LT1，LT2，LT3，LT4，LD1，LD2分別為4個(gè)IGBT和2個(gè)鉗位二極管內(nèi)部的雜散電感以及其臨近母排的局部雜散電感。

圖3 NPC三電平逆變器單相橋臂簡化雜散電感分布Fig.3 Simplified stray inductance distribution of single phase bridge arm in NPC three-level inverter

加入功率器件和母排的雜散電感影響之后，可以對(duì)電壓模型進(jìn)行優(yōu)化，這個(gè)過程依據(jù)基爾霍夫定律，使用電路中電流測(cè)量結(jié)果的微分，排除功率器件和母排中雜散電感電壓的影響。優(yōu)化后的表達(dá)式如下式所示：

從式（3）中可以看出，想要提高電壓檢測(cè)的精度，需要第2節(jié)中電流的檢測(cè)進(jìn)行配合。相較于理想情況下的電壓模型，式（3）的模型盡可能地排除了系統(tǒng)中雜散電感的影響，能有效提高測(cè)量的精度。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用英飛凌公司型號(hào)為FF650R17IE4（1 700 V/650 A）的 IGBT模塊搭建NPC三電平逆變器單相橋臂電路，將母線電壓設(shè)置為1 000 V，負(fù)載電流600 A。IGBT的驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出預(yù)設(shè)的脈沖，以模仿逆變器狀態(tài)改變時(shí)的換流回路。使用PEM公司生產(chǎn)的型號(hào)為CWT30B的羅氏線圈作為電流測(cè)量單元，最高測(cè)量帶寬16 MHz，最大測(cè)量電流6 kA；使用KEYSIGHT公司型號(hào)為N2891A的70 MHz/7 kV差分探頭作為電壓測(cè)量單元，能夠滿足測(cè)量的要求。在采用間接測(cè)量方法的同時(shí)，對(duì)器件的狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)量，以驗(yàn)證測(cè)量的結(jié)果分析誤差。

3.1 電流檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

從式（1）電流模型中可知，iT1，iT4可以直接得到，需要對(duì)iT2，iT3，iD1，iD2進(jìn)行驗(yàn)證，又由NPC三電平電路的對(duì)稱性可知，iL＞0與iL＜0的情況相類似，所以僅需在負(fù)載電流為正時(shí)，對(duì)iT2與iD1電流的間接測(cè)量值進(jìn)行驗(yàn)證。因此，控制驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出脈沖，模擬電流回路由S2-S1-S2，由S3-S2-S3的換流過程，測(cè)量開關(guān)瞬態(tài)的功率器件電流，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 換流回路為S1和S2的電流檢測(cè)情況Fig.4 Current test when the current path is S1and S2

圖5 換流回路為S2和S3的電流檢測(cè)情況Fig.5 Current test when the current path is S2and S3

圖4a，圖4b，圖5a，圖5b為測(cè)量的三點(diǎn)電流，圖4c，圖4d，圖5c，圖5d為在線測(cè)量與實(shí)際測(cè)量的結(jié)果對(duì)比，其中實(shí)際測(cè)量值為黑色線條，在線測(cè)量結(jié)果為灰色線條且用原符號(hào)加“′”標(biāo)注。實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論分析的情況相同，當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，間接檢測(cè)的結(jié)果能夠很好地跟隨電流的實(shí)際情況。而在開關(guān)瞬態(tài)，可以分為兩種情況，回路由S1-S2，S2-S3換流時(shí)，此時(shí)小電流回路的影響很小，在T1關(guān)斷和T2關(guān)斷時(shí)，在線測(cè)量的結(jié)果可以較好地跟隨實(shí)際測(cè)量結(jié)果，反映器件的特性。T1關(guān)斷時(shí)，T2電流波動(dòng)較小，最大誤差出現(xiàn)在T1關(guān)斷瞬態(tài)，鉗位二極管D1檢測(cè)電流誤差在50 A左右；T2關(guān)斷時(shí)，最大誤差在T2關(guān)斷瞬態(tài)，此時(shí)T2檢測(cè)電流誤差在40 A以內(nèi)，D1檢測(cè)電流由于i+影響誤差較大。而當(dāng)回路由S2-S1，S3-S2換流時(shí)，開關(guān)瞬間會(huì)在鉗位二極管中產(chǎn)生換路電流，間接測(cè)量難以直接監(jiān)控到鉗位二極管的電流，此時(shí)計(jì)算結(jié)果誤差較為明顯，特別是在T2開通時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)實(shí)際電流趨近穩(wěn)定時(shí)間變長，檢測(cè)電流波形在這1 μs的過程中不能很好地跟隨，此時(shí)電壓尖峰接近1 000 A，誤差在100 A以內(nèi)。從整體來看，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了電流的可測(cè)性。

3.2 電壓檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

同樣模擬電流回路由S2-S1-S2和S3-S2-S3的切換過程，驗(yàn)證電壓的檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 換流回路為S1和S2的電壓檢測(cè)情況Fig.6 Voltage test when the current path is S1and S2

圖7 換流回路為S2和S3的電壓檢測(cè)情況Fig.7 Voltage test when the current path is S2and S3

對(duì)應(yīng)電流測(cè)量的結(jié)果，由實(shí)驗(yàn)波形分析可知，電壓的檢測(cè)效果較好，間接計(jì)算的結(jié)果能夠很好地跟隨直接測(cè)量的結(jié)果，在開關(guān)瞬態(tài)的電壓尖峰，仍然能夠得到比較準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果，最大誤差出現(xiàn)在T1關(guān)斷時(shí)，經(jīng)過計(jì)算，VT1在電壓尖峰處最大誤差百分比在5%左右。雖然間接檢測(cè)的結(jié)果在一定范圍內(nèi)波動(dòng)比較明顯，但是跟隨性與準(zhǔn)確性較好，能夠驗(yàn)證電壓的可測(cè)性，針對(duì)雜散電感所做的優(yōu)化起到了應(yīng)有的作用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)NPC三電平逆變器，提出了一種簡化的功率器件電流和電壓的在線測(cè)試方法，通過脈沖實(shí)驗(yàn)?zāi)M逆變器的開關(guān)過程驗(yàn)證了測(cè)試方法的正確性和有效性。該方法可以采用較少的測(cè)量單元對(duì)逆變器的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠明顯地降低測(cè)量成本，同時(shí)測(cè)量的結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性，對(duì)于三電平逆變器的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障預(yù)防提供了有價(jià)值的參考。