三電平逆變器開關(guān)管電壓應力解決方案研究

楊 鴿，鄭嘉龍，楊 玨，羅雨航

(四川水利職業(yè)技術(shù)學院， 四川 成都 611231)

0 引 言

電力電子開關(guān)器件現(xiàn)已經(jīng)被廣泛應用于電力電子設(shè)備中。對于三相橋式電力電子變流器的拓撲結(jié)構(gòu)，電力電子開關(guān)器件在開通關(guān)斷過程中的電壓應力問題不予過多考慮，但是隨著電力電子設(shè)備的應用更廣泛，在高電壓、大功率場合就需要設(shè)計更能適應這種環(huán)境的拓撲結(jié)構(gòu)，比如多電平、級聯(lián)等。目前主要有3種拓撲結(jié)構(gòu)：級聯(lián)H橋型、飛跨電容型和二極管鉗位型。研究比較深入和比較常用的是三電平二極管鉗位型。但若電壓等級越高、串聯(lián)的開關(guān)管數(shù)量和電平越多時，則其開關(guān)管的電壓應力問題就越來越嚴重。

由于三電平二極管鉗位型(neutral-point-clamped，NPC)逆變器應用比較廣泛，國內(nèi)外也對三電平二極管鉗位型逆變器進行大量研究[1-4]。對于NPC的開關(guān)管電壓應力的研究文獻已有一些，如文獻[5]對基于MOSFET三電平逆變器開關(guān)管電壓應力產(chǎn)生機理進行了詳細的分析研究，并且就三電平開關(guān)管的電壓應力問題提出了解決方法，主要有兩方面：1)選擇反并聯(lián)二極管恢復性能較好的MOSFET 作為外管；2)使內(nèi)管開通速度減小為500 ns，而外管開通速度保持在300 ns。

下面在上述文獻的研究基礎(chǔ)上分析了三電平逆變器開關(guān)管應力問題，在遵循三電平逆變器開關(guān)管驅(qū)動原則的基礎(chǔ)上設(shè)計了驅(qū)動保護電路，并重點分析了死區(qū)發(fā)生電路和狀態(tài)切換發(fā)生器，最終，在相關(guān)實驗平臺上驗證了所提方案的正確性。

1 三電平逆變器開關(guān)管應力分析

三電平逆變器的單相等效電路[6-8]如圖1所示。這種三電平逆變器每相使用了4個開關(guān)器件，用S1、S2、S3和S4表示。通過恰當?shù)亟M合S1、S2、S3和S4的開關(guān)順序，它能輸出3種電平。

圖1 三電平逆變器的單相等效電路

通常情況下，三電平逆變器的4個開關(guān)管的驅(qū)動與電網(wǎng)電壓極性有關(guān)，如圖2所示。當輸入電壓Ua為正電壓時，S1和S3互補開關(guān)，S2導通，S4斷開。當輸入電壓Ua為負電壓時，S2和S4互補開關(guān)，S1斷開，S3導通[9-11]。

圖2 三電平逆變器的開關(guān)波形

三電平逆變器具有效率高、開關(guān)頻率高、體積小的優(yōu)點。但是它對4個開關(guān)器件驅(qū)動的邏輯關(guān)系要求很高，否則很容易引起開關(guān)器件的電壓應力超標。

開關(guān)管電壓應力超標波形如圖3所示，對開關(guān)管電壓應力現(xiàn)象進行詳細分析如下：圖中t1時刻S4關(guān)斷，S1和S2關(guān)斷，S3保持導通，S1和S2的電壓均為405 V；t2時刻，S2導通，同時S3關(guān)斷，由于此時電感電流恰好等于0，S3和S4均分S2導通前的405 V電壓，S1兩端的電壓始終保持為405 V；t3時刻，S1開始導通，405 V電壓由S3和S4共同承擔。由于S3和S4的特性不一致，S3出現(xiàn)電壓應力超標的問題，對上述開關(guān)管出現(xiàn)的應力現(xiàn)象簡要分析后可知三電平逆變器開關(guān)管應力主要由于下面兩種情況導致：1)開關(guān)管反向?qū)ê箅娏髀窂揭蚱浠パa管的開通發(fā)生換流，由此導致了開關(guān)管兩端電壓發(fā)生突然變化，二極管反向恢復，產(chǎn)生很大的電壓應力尖峰，這時的開關(guān)管兩端電壓值會迅速由0 V躍變至直流母線電壓值或負母線電壓值。此狀況主要來源于內(nèi)管的關(guān)斷對于外管的影響導致電壓應力的突升；2)開關(guān)管閉合后因其互補管的導通導致開關(guān)管兩端的電壓突然變化，這時的開關(guān)管兩端穩(wěn)定后電壓值躍變幅度會略小于前一狀況發(fā)生時的電壓應力值。

圖3 三電平逆變器開關(guān)信號邏輯導致內(nèi)管電壓應力超標波形

2 三電平逆變器開關(guān)管電壓應力解決方法

2.1 三電平逆變器開關(guān)管驅(qū)動遵循的原則

為了解決開關(guān)器件的應力問題，三電平逆變器的各個開關(guān)器件驅(qū)動信號之間必須遵守以下切換原則：

1)任何時刻保證先開通內(nèi)管(S2/S3)，再開通外管(S1/S4)；

2)S1/S3之間必須互補，并留有足夠的死區(qū)時間；

3)S2/S4之間必須互補，并留有足夠的死區(qū)時間；

4)任何時刻保證先關(guān)斷外管，后關(guān)斷內(nèi)管；

5)外管關(guān)斷后，必須保證內(nèi)管有足夠的共通時間，以便外管都建立均衡的電壓。

為了遵循上述開關(guān)管驅(qū)動原則，如圖4所示設(shè)計一種適用于上述原則的三電平逆變器的驅(qū)動保護電路。圖中，“PWM”為DSP輸入的PWM信號[12]；UPNzVector1/2為輸入電壓的極性；00代表輸入電壓為正，01代表輸入電壓為過零點，10代表輸入電壓為負；Protect為保護信號和關(guān)機信號。

圖4 三電平逆變器的驅(qū)動保護電路框

整個三電平逆變器的驅(qū)動保護電路總共分為兩大功能模塊：1)死區(qū)發(fā)生電路模塊。這個模塊主要功能在于根據(jù)PWM信號輸入，產(chǎn)生3組對應于正電壓、過零點和負電壓的驅(qū)動信號，并且保證各個驅(qū)動信號之間的死區(qū)滿足要求。2)狀態(tài)切換模塊。這個模塊的主要功能是根據(jù)當前電壓的極性選擇一組恰當?shù)尿?qū)動信號。當電壓狀態(tài)發(fā)生切換時，保證兩個狀態(tài)切換期間，驅(qū)動信號滿足以下切換順序：“先封鎖外管驅(qū)動→死區(qū)時間→強行驅(qū)動導通內(nèi)管→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的內(nèi)管驅(qū)動→死區(qū)時間→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的外管驅(qū)動”。并且以同樣的時序完成逐波限流保護和開關(guān)機保護功能。其中，多路選擇開關(guān)陣列的功能是根據(jù)狀態(tài)切換時序發(fā)生器的輸出選擇恰當?shù)挠|發(fā)脈沖用于控制三電平逆變器。

2.2 死區(qū)發(fā)生電路

死區(qū)發(fā)生電路以PWM輸入為基準，產(chǎn)生3組共12路相互互補的PWM信號，這3組互補的PWM信號分別對應于輸入電壓為正、輸入電壓過零和輸出電壓為負時的驅(qū)動波形[13]。分別以P/Z/N為后綴。例如，S1P代表輸入電壓為正時S1管的驅(qū)動信號；S1Z代表輸入電壓過零點附近S1管的驅(qū)動信號。S1N代表輸入電壓為負時S1管的驅(qū)動信號，依次類推。

死區(qū)發(fā)生電路共包含兩個定時器、6個比較器和組合邏輯電路，如圖5所示。

圖5 死區(qū)發(fā)生電路結(jié)構(gòu)

圖6為圖5中各個信號之間的時序圖。圖中，t1代表死區(qū)時間，t2代表S2/S3管之間的共通時間。

圖6 死區(qū)發(fā)生電路內(nèi)各信號間的時序

由圖6可知，PWM=1時，Trise清零，Tfall正常計數(shù)。反之Trise計數(shù)，Tfall清零。當Rise3=1或者fall3=1時，相應的定時器停止計數(shù)。

Trise=0時，Rise1/2/3=0。Trise=t1時，Rise1=1；Trise=t1+t2時，Rise2=1；Trise=t1+t2+t1時，Rise3=1。Tfall的比較過程與Trise的比較過程是一樣的。

2.3 狀態(tài)切換時序發(fā)生器

狀態(tài)切換時序發(fā)生器的輸入為電壓的極性以及保護信號。它根據(jù)電壓的極性和當前保護信號的狀態(tài)選取死區(qū)發(fā)生電路的三組輸出中的一組作為脈沖。并且保證每個狀態(tài)之間切換時，各個開關(guān)管之間的驅(qū)動信號時序滿足三電平逆變器驅(qū)動時序的基本原則。狀態(tài)切換時序發(fā)生器的輸出為同步后的電壓極性信號UPNzVectorSyn以及各組驅(qū)動信號的切換時序控制信號VolSwitchRise1/2/3。它主要由一個定時器、3個比較器和若干個觸發(fā)器組成，如圖7所示。

圖7 狀態(tài)切換時序發(fā)生器

在圖7中，邏輯電路的功能為在UPNzVector電平發(fā)生變化時產(chǎn)生一個寬度約為3個時鐘周期的窄脈沖，用于清零定時器輸出。

定時器的輸入使能端由比較器3輸出控制，當比較器3輸出低電平時，定時器維持。定時器的輸出Timer=0時，3個比較器的輸出為高電平，控制多路選擇開關(guān)關(guān)閉S1和S4的觸發(fā)脈沖，S2和S3的觸發(fā)脈沖由PWM的狀態(tài)和當前的電壓極性決定。當Timer=t1時，VolSwitchRise1輸出低電平，強制同時導通S2和S3管，讓S1和S4管建立405 V電壓。當Timer=t1+t2時，VolSwitchRise2輸出低電平，控制D輸出器更新電壓矢量輸出UPNzVectorSyn，實現(xiàn)內(nèi)管驅(qū)動的切換。Timer=t1+t2+t1時，VolswitchRise3輸出低電平，禁止定時器繼續(xù)計數(shù)，同時接手新的外管驅(qū)動信號。從而保證在電壓極性或者系統(tǒng)開關(guān)機過程中始終保證各管的驅(qū)動信號滿足“先封鎖外管驅(qū)動→死區(qū)時間→強行驅(qū)動導通內(nèi)管→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的內(nèi)管驅(qū)動→死區(qū)時間→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的外管驅(qū)動”。

狀態(tài)切換時序發(fā)生器的內(nèi)部信號邏輯如圖8所示。

圖8 狀態(tài)切換時序發(fā)生器內(nèi)部信號邏輯關(guān)系

3 實驗驗證

為了驗證所設(shè)計的驅(qū)動保護電路，適當改變調(diào)制算法，在基于DSP的三電平逆變器實驗平臺上進行了開關(guān)管電壓應力研究試驗，試驗逆變器模塊硬件參數(shù)如下：直流母線電壓為800 V；額定輸出功率為6 kVA；47N60CFD、47N60C3型號的MOSFET開關(guān)管額定電壓為600 V，其滿載時要求降額至80%即480 V的要求。實驗波形如圖9至圖12所示。

圖9 逆變器輸出電壓過零點附近驅(qū)動波形細節(jié)

圖10 逆變器輸出正電壓且幅值較大時的驅(qū)動波形細節(jié)

圖11 逆變器輸出負電壓，且幅值較大時的驅(qū)動波形細節(jié)

圖9至圖12是逆變器輸出電壓極性切換時的開關(guān)管驅(qū)動波形，其中對圖9中的波形進行了詳細分析，對“先封鎖外管驅(qū)動→死區(qū)時間→強行驅(qū)動導通內(nèi)管→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的內(nèi)管驅(qū)動→死區(qū)時間→執(zhí)行與調(diào)制策略對應的外管驅(qū)動”這6個時間段進行了分析和劃分，其余的電壓狀態(tài)切換時開關(guān)管驅(qū)動波形圖中時間段劃分也是同樣分析。從圖9至圖12中可以看出開關(guān)管驅(qū)動在遵循上述原則下，逆變器輸出電壓在電壓切換時開關(guān)管的電壓應力都在允許范圍內(nèi)，效果非常好。

4 結(jié) 語

上面主要解決三電平逆變器開關(guān)管電壓應力問題，在三電平逆變器實驗平臺上進行所提方案的試驗，并測試了逆變器輸出電壓切換時開關(guān)管開通、關(guān)斷時的電壓驅(qū)動波形圖，從波形圖中可知開關(guān)管的電壓應力問題得到很好解決，該解決方案為今后高電壓、大功率場合的開關(guān)管電壓應力問題提供了技術(shù)支撐。