“I”型三電平逆變器開關(guān)管不均壓研究

摘要：為解決“I”型三電平逆變拓?fù)渲袃?nèi)、外開關(guān)管的不均壓問題，在逆變拓?fù)溟_關(guān)管的控制方式及硬件電路上提出了優(yōu)化的方案。開關(guān)管發(fā)波控制中，在原有的時(shí)序控制中加入開機(jī)和關(guān)機(jī)的時(shí)序邏輯，開機(jī)時(shí)保證內(nèi)管先于外管開通，關(guān)機(jī)時(shí)保證外管先于內(nèi)管關(guān)斷，避免內(nèi)、外管承受電壓不一致的情況。在硬件電路中，對內(nèi)管增加阻容網(wǎng)絡(luò)，消除了內(nèi)、外管同時(shí)關(guān)斷時(shí)由于其寄生參數(shù)不一致而導(dǎo)致的內(nèi)、外管承受電壓不一致的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法可以徹底解決“I”型三電平拓?fù)渲袃?nèi)、外管承受電壓不一致的問題。

引言

　　隨著光伏逆變器、UPS、變頻器等行業(yè)的發(fā)展，新穎的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。具有高效率、高頻率、低諧波及輸出濾波器小等特點(diǎn)的三電平逆變拓?fù)?，在逆變功率變換中扮演著舉足輕重的角色。

　　在常用的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，“T”型和“I”型的應(yīng)用較為流行。有關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，開關(guān)頻率在16kHz以上時(shí)，“I”型逆變拓?fù)溟_關(guān)管損耗與“T”型相比較小，有明顯的優(yōu)勢。近年來，隨著逆變器功率密度的不斷提高，受效率、諧波、體積及成本等因素影響，“I”型越來越凸顯其優(yōu)勢。而“I”型三電平逆變拓?fù)湓诠こ虘?yīng)用中，由于其結(jié)構(gòu)形式為開關(guān)管的串聯(lián)，開關(guān)管的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題是“I”型拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)關(guān)鍵，串聯(lián)的開關(guān)管不均壓會直接導(dǎo)致過壓損壞，直接影響系統(tǒng)的可靠性。

　　本文針對“I”型三電平的逆變器，從開關(guān)管的控制方式及硬件電路上做了優(yōu)化。保證開機(jī)時(shí)，內(nèi)管先于外管開通，關(guān)機(jī)時(shí)，內(nèi)管后于外管關(guān)斷，解決了內(nèi)、外管承受電壓不一致的問題。

1 “I”型三電平拓?fù)浼肮ぷ魈攸c(diǎn)

　　“I”型三電平拓?fù)淙鐖D1所示，直流側(cè)經(jīng)過直流電容接入，在“I”型的橋臂中點(diǎn)處連接交流輸出的低通濾波器，濾波器形式可為LC或LCL。在開關(guān)管交替開通、關(guān)斷時(shí)，橋臂中點(diǎn)電壓有三種變化形式：+BUS、N及-BUS，這三種電平經(jīng)過低通濾波器濾波處理后變?yōu)楣ゎl的電壓波形。

　　為了將橋臂中點(diǎn)三種脈動的交流電平變?yōu)橐?guī)則的正弦波，三電平拓?fù)渲虚_關(guān)管的發(fā)波需要進(jìn)行嚴(yán)密的邏輯控制。一般地，在逆變器輸出的正半周內(nèi)，Q1高頻開關(guān)動作，其占空比呈正弦包絡(luò)，Q2為工頻變化的開關(guān)管，在正半周處于常通的狀態(tài)。同時(shí)，在輸出正半周內(nèi)，Q3的開關(guān)動作邏輯與Q1呈互補(bǔ)狀態(tài)，Q4呈關(guān)斷狀態(tài)。而在輸出負(fù)半周，四個(gè)開關(guān)管的工作狀態(tài)與正半周對調(diào)，即Q4呈高頻開關(guān)動作，占空比呈正弦包絡(luò)，Q3負(fù)半周中常通，Q2與Q4邏輯互補(bǔ)，Q1呈關(guān)斷狀態(tài)。詳細(xì)邏輯關(guān)系如圖2所示。

　　“I”型三電平開關(guān)管動作控制邏輯按照圖2工作時(shí)，在正半周內(nèi)，Q1、Q2導(dǎo)通時(shí)，Q3、Q4關(guān)斷，二者串聯(lián)承受雙邊母線電壓;在負(fù)半周內(nèi)，Q3、Q4導(dǎo)通時(shí)，Q1、Q2關(guān)斷，二者串聯(lián)承受雙邊母線電壓。每個(gè)開關(guān)管及鉗位二極管關(guān)斷時(shí)承受的反向電壓最大為半邊母線電壓。

2 內(nèi)、外開關(guān)管均壓設(shè)計(jì)

2.1 “I”型三電平內(nèi)、外管不均壓分析

　　“I”型三電平在一般應(yīng)用時(shí)，四個(gè)開關(guān)管及兩個(gè)二極管均選用耐壓規(guī)格相同的器件。比如典型的380VAC/400VAC(線電壓)電網(wǎng)，直流側(cè)母線電壓為400V左右，開關(guān)管及二極管一般選擇600V耐壓。

　　“I”型三電平拓?fù)溟_關(guān)管不均壓主要表現(xiàn)在同側(cè)的內(nèi)、外管上，一般均出現(xiàn)在逆變器開機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)刻。不均壓根本原因是由內(nèi)、外開關(guān)管的寄生參數(shù)差異而造成的，由于開關(guān)管的生產(chǎn)線工藝差異、批次差異等，均會造成內(nèi)外管的輸出電容Coss不同[2-3]。一般地，開關(guān)管在關(guān)斷后所承受的電壓主要取決于集電極與發(fā)射極(IGBT)或漏極與源極(MOSFET)的輸出結(jié)電容Coss。結(jié)電容越大，在分壓時(shí)分到的電壓越小，結(jié)電容越小，分到的電壓越大^[6-12]。

　　以關(guān)機(jī)時(shí)刻為例，如圖3所示，四個(gè)開關(guān)管同時(shí)關(guān)斷，逆變器濾波電感續(xù)流，半邊IGBT的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通將“I”型三電平橋臂中點(diǎn)(即交流輸出點(diǎn))拉至正母線或負(fù)母線，致使另外半邊的內(nèi)、外開關(guān)管串聯(lián)承受雙邊母線電壓。在這種內(nèi)、外開關(guān)管串聯(lián)承受雙邊母線電壓的時(shí)刻，由于開關(guān)管輸出電容Coss的差異，使得內(nèi)、外管不均壓。如果開關(guān)管的結(jié)電容參數(shù)相差較大的話，會直接導(dǎo)致內(nèi)管關(guān)斷電壓過高而發(fā)生雪崩擊穿，損壞開關(guān)管。

　　以下從電感電流的兩個(gè)流向來分析，即流出橋臂中點(diǎn)和流入橋臂中點(diǎn)。

　　(1)電感電流流出橋臂中點(diǎn)

　　如圖3中(a)所示，當(dāng)由于逆變器過流、過壓等情況出現(xiàn)，需要關(guān)機(jī)時(shí)，逆變器濾波電感的電流在一定時(shí)間內(nèi)需要續(xù)流，電流流向保持前一正常工作時(shí)刻的流向不變，即從橋臂中點(diǎn)流出，其續(xù)流路徑詳細(xì)情況見圖4所示^[10]。

　　逆變器濾波電感需要續(xù)流，將D3、D4自然打開。因此，橋臂中點(diǎn)電壓與直流側(cè)的-BUS基本一致(僅相差兩個(gè)串聯(lián)二極管的通態(tài)壓降)[14]。而在關(guān)機(jī)時(shí)，Q1、Q2關(guān)斷，其關(guān)斷狀態(tài)是通過Q1、Q2開關(guān)管的兩個(gè)輸出電容Coss分擔(dān)雙邊母線電壓來進(jìn)行。在此，如果Q1、Q2的輸出電容的寄生參數(shù)由于工藝、批次等原因不一致時(shí)，其關(guān)斷的時(shí)間將會有差異。

　　假如Q1的Coss較Q2小，即會造成Q1先關(guān)斷，Q2后關(guān)斷，而在這種情況下，D5會導(dǎo)通，將Q1、Q2的中點(diǎn)電壓鉗位在正負(fù)母線電壓的中點(diǎn)，即零電壓。對于后關(guān)斷的Q2來說不會承受雙邊母線電壓，比較安全。但如果Q1的Coss較Q2大，情況就不容樂觀。將會造成Q1后關(guān)斷，Q2先關(guān)斷，而在這種情況下，D5承受的電壓為負(fù)，無法將Q1、Q2的中點(diǎn)電壓鉗位在正負(fù)母線電壓的中點(diǎn)零電壓，此刻會導(dǎo)致Q1、Q2電壓不均，極限情況下，先關(guān)斷的Q2會承受雙邊母線電壓，發(fā)生過壓雪崩擊穿，損壞Q2，進(jìn)而將逆變器損毀。

　　(2)電感電流流入橋臂中點(diǎn)

　　如圖3中(b)所示，當(dāng)由于逆變器過流、過壓等情況出現(xiàn)，需要關(guān)機(jī)時(shí)，逆變器濾波電感的電流在一定時(shí)間內(nèi)需要續(xù)流，電流流向保持前一正常工作時(shí)刻的流向不變，即電流流入橋臂中點(diǎn)^[11]，其續(xù)流路徑詳細(xì)情況見圖5所示。

　　逆變器濾波電感需要續(xù)流，將D1、D2自然打開，因此，橋臂中點(diǎn)電壓與直流側(cè)的+BUS基本一致(僅相差兩個(gè)串聯(lián)二極管的通態(tài)壓降)。而在關(guān)機(jī)時(shí)，Q3、Q4關(guān)斷，其關(guān)斷狀態(tài)是通過Q3、Q4開關(guān)管的兩個(gè)輸出電容Coss分擔(dān)雙邊母線電壓來進(jìn)行^[13,15]。在此，如果Q1、Q2的輸出電容的寄生參數(shù)由于工藝、批次等原因不一致時(shí)，其關(guān)斷的時(shí)間將會有差異。

　　假如Q4的Coss較Q3小，即會造成Q4先關(guān)斷，Q3后關(guān)斷，而在這種情況下，D6會導(dǎo)通將Q3、Q4的中點(diǎn)電壓鉗位在正負(fù)母線電壓的中點(diǎn)，對于后關(guān)斷的Q3來說不會承受雙邊母線電壓，比較安全。如果Q4的Coss較Q3大，將會造成Q4后關(guān)斷，Q3先關(guān)斷，而在這種情況下，D6承受的電壓為負(fù)，無法將Q3、Q4的中點(diǎn)電壓鉗位在正負(fù)母線電壓的中點(diǎn)零電壓，此刻會導(dǎo)致Q3、Q4電壓不均，極限情況下，先關(guān)斷的Q3會承受雙邊母線電壓，發(fā)生過壓雪崩擊穿，損壞Q3，進(jìn)而將逆變器損毀。

本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第6期第59頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。