風機變流器中IGBT驅動窄脈沖的影響與限制

摘要：在大功率風機變流器中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的工作可靠性對整個風電機組的安全運行有著直接影響。分析了驅動窄脈沖對風機變流器IGBT可靠運行的危害，并從理論上闡述了空間矢量調制(SVM)中窄脈沖出現的原理及限制方法。同時基于28335型DSP不對稱死區(qū)設置的特點，指出不對稱死區(qū)設置將進一步減少觸發(fā)窄脈沖的寬度而卻使得關斷窄脈沖最少維持了2個死區(qū)時間。但關斷窄脈沖對IGBT單元體反并聯二極管的危害卻依然值得關注。最后給出了相關測試波形，對窄脈沖問題的分析和抑制具有參考意義。
關鍵詞：變流器；風機；絕緣柵雙極型晶體管；窄脈沖

1 引言
隨著環(huán)境和能源問題的不斷加劇，風力發(fā)電作為一種應用前景廣闊、經濟性較突出的綠色可再生能源而備受關注。而帶有大功率變流器設備的變速恒頻風電機組能有效利用風能，受到廣泛關注。
風電機組工作環(huán)境惡劣，卻又要求安全性和可靠性高，這就對含有大功率電力電子器件的風機變流器提出更高要求。這里結合IGBT驅動窄脈沖對風機變流器的影響，分析SVM中窄脈沖產生原理及死區(qū)設置對窄脈沖的影響，探討窄脈沖的避免與抑制，進一步提高風機變流器運行的可靠性。

2 窄脈沖的危害
圖1示出三相電壓型整流器(VSR)原理圖。IGBT模塊窄脈沖現象分如下兩種情況：①IGBT單元出現觸發(fā)窄脈沖；②IGBT單元出現關斷窄脈沖，即體二極管出現窄脈沖。這兩種均為半導體器件在未完全開通時又立即關斷的行為，都可能導致較大的浪涌電壓尖峰和振蕩，使得大功率IGBT模塊的可靠運行受到嚴重威脅，甚至損壞。特別對于體反并聯二極管單元，若IGBT出現關斷窄脈沖，則同橋臂另一只IGBT反并聯二極管就有可能出現未完全開通又立即關斷的行為，進而產生比IGBT窄脈沖觸發(fā)更嚴重的關斷電壓尖峰或振蕩。產生上述過高浪涌電壓或振蕩的原因為：半導體器件在導通后極短時間內進入反向恢復階段，在還未積累充分數量載流子的狀態(tài)下外加電壓，過渡層迅速擴大，使其產生強烈的di／dt，du／dt。故為實現IGBT的可靠應用，一般應限制最小觸發(fā)和關斷脈寬。

產生窄脈沖有些是由于硬件系統(tǒng)外部干擾或光纖驅動輸入光信號異常導致，而有些則是由于控制系統(tǒng)或電氣參數設計不當導致。前者需提高硬件系統(tǒng)的電磁兼容性或采取硬件限制措施，后者則可通過相應的理論分析與軟件設計加以避免。

3 SVM中窄脈寬的產生
為提高電壓利用率，大功率風電機組變流器均采用SVM控制。三相逆變器開關管共有8個開關狀態(tài)，這8個開關狀態(tài)構成了8個基本電壓空間矢量，如圖2所示，其中6個為有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；兩個為零矢量，幅值為零。

一個開關周期內，基本電壓矢量按分時方式發(fā)生作用，在時間上構成一個空間矢量序列，以合成目標矢量。目前風機變流器均采用基于DSP的對稱原則，諧波含量較小的7段式SVM合成方式被廣泛采用，其矢量圖和驅動波形圖如圖3所示。可見，7段式波形合成特點為：①在調制度接近零時，各IGBT驅動波形占空比接近50％，大功率變流器中，開關周期較長，不會出現窄脈沖；②當目標矢量位于兩個基本矢量中間位置時，零矢量作用時間最短；③在接近滿調制時，零矢量作用時間內，必將有一組橋臂出現窄脈沖，寬度為0．5倍的零矢量作用時間；④極端時，即滿調制(目標矢量位于兩個基本電壓矢量中間)時，無零矢量作用時間。