復合母排中點電流的研究

鄧晨，潘啟軍，黃垂兵，吳文力

復合母排中點電流的研究

鄧晨，潘啟軍，黃垂兵，吳文力

(海軍工程大學艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室，武漢 430033)

本文以NPC三電平逆變器為例，研究了復合母排端口參數矩陣的提取方法及復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。根據中點電流的形成原理以及震蕩的機理，分析了逆變器元件的雜散參數對中點電流的影響。測結果驗證了仿真計算的可靠性與有效性，該分析和仿真計算方法可用于指導復合母排的參數計算與優化設計。

復合母排 逆變器 多端口模型 中點電流 仿真計算

0 引言

隨著大容量電能變換技術的發展，復合母排得以廣泛應用[1-6]。然而，由于復合母排和功率器件都存在雜散參數，其中雜散電感除了會在開關器件動作時形成過電壓尖峰外，還會與輸出電流作用在電容母排與傳輸母排的中點形成振蕩電流，加大了電流峰值，增加了高頻損耗。

另一方面，精確的計算機電路仿真不僅能對設計進行有效檢驗，提高分析和設計能力，還可以與實物試制和調試相互補充，最大限度地降低設計成本，縮短系統研制周期。

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，計算了母排相關雜散參數，從而得到復合母排中點電流的仿真數據，并通過實驗數據對仿真數據進行驗證。

1 復合母排中點電流的形成

逆變器電路聯接關系如圖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）和熔斷器（正負極）連接到傳輸母排，最后連接到三相IGBT母排和制動單元母排。除了主電路外，還有PWM驅動信號產生電路及負載電路。

圖1 逆變器電路連接關系圖

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

表1 三電平逆變器基本矢量分類表

表1中開關輸出狀態第一個字母表示A相輸出狀態，第二個表示B相的輸出，第三個表示C相的輸出狀態。由于長矢量開關狀態的每相是直接接到母線的正端或負端，因此它的中線不會有電流，就不會影響中點電壓的平衡；對于三個零矢量開關狀態而言，因為逆變器在零矢量狀態時不工作，所以零矢量對中點電壓也沒有影響[7,8]，如圖2所示。

而中矢量和短矢量的開關狀態至少有一相負載與電容母排中點相連，并和正或負母線形成回路，如圖3所示。

這18個開關狀態（12個短矢量開關狀態和6個中矢量開關狀態）作用的任意時刻，流入或流出中點電流的絕對值一定等于某相電流i的絕對值，表2給出了這18個開關狀態對電容母排中點電流o影響的具體情況。

圖2 長矢量和零矢量對中點電流的影響

圖3 中矢量和短矢量對中點電流的影響

表2 不同開關狀態下的中點電流

綜上所述，三相三電平中點電流是由開關決定的，在不同的開關狀態下，其瞬間值等于某一相的輸出電流。

2 復合母排中點電流震蕩機理

實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，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開關狀態為例，加入電路的分布參數（由于同一類分布參數具有相似性，圖中的分布參數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 帶分布參數的POO狀態時回路示意圖

從圖4可以看出，由于PWM動作產生豐富的高次諧波成分，在POO狀態時AT1和AT2的開關動作形成的電流為電路提供激勵源使電路產生階躍響應。若用開關管的開關電流等效為激勵電流源，將圖4中的RLC進行串并聯的簡化可得到如圖5所示的二階電路。

圖5 POO狀態時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接端到IGBT吸收電容之間總的并聯電容。

由圖5可知，只要有PWM開關動作，就會產生高頻激勵源，由于支撐電容、吸收電容、分布電阻和分布電感等參數的存在，且這些參數滿足一定關系電路中的電流就會產生振蕩。

3 復合母排多端口模型的建模

復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，結構非常復雜。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系，如果能將復合母排每個端口的關系都運用電路仿真語言描述出來，對應相應的電路元件符號，就可以建立復合母排的電路仿真模型。

本文運用Ansoft Q3D軟件，提取了復合母排各端口參數矩陣，將其輸出為Pspice電路模型，再將Pspice模型轉化成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，根據上述方法對三種母排進行信號加載，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、負極和中點的進線端；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為兩個上支撐電容的正極連接端；Source_Cap_C1到Source_Cap_C8為四個支撐電容的中點連接端；Source_Cap_B1到Source_Cap_B4為兩個下支撐電容的負極連接端。

將復合母排各端口加載完成后，在Ansoft Q3D中計算模型的、、參數，即可得到復合母排多端口參數矩陣，然后在Ansoft Q3D中的輸出*.Cir的等效電路模型文件。可在Pspise的Model Editor新建一個元件模型，將*. Cir文件導入, 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模型轉成Saber模型。先將后綴名為.Lib的模型文件轉化為后綴名為.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符號文件,將符號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，以便軟件自動為符號和模型建立映射關系。只要映射關系正確就可以在Saber仿真中直接調用復合母排的多端口模型。

4 復合母排中點電流震蕩的仿真與驗證

根據第3節所述的復合母排中點電流震蕩機理以及二階電路的原理可知當等效回路圖5中的參數滿足：

回路中的電路即產生振蕩，其振蕩周期為：

根據支撐電容、吸收電容和熔斷器的參數手冊及復合母排仿真計算結果得到R=0.1226 mΩ，L=1.2298 nH，C=98.78 mF。根據式（2）計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、負極熔斷器上方中點銅排實測電流波形，其振蕩周期約為82 μs。

由此可見仿真計算出的數據=82.89 μs，與實測的82 μs基本吻合。

5 結論

本文以NPC三電平逆變器為例，研究了復合母排端口參數矩陣的提取方法及復合母排多端口電路模型的建模方法，分別建立了復合母排多端口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，根據中點電流的形成原理以及震蕩的機理，分析了逆變器元件的雜散參數對中點電流的影響，通過實測數據與仿真數據的對比驗證了模型的有效性，為逆變器的優化設計提供了依據。

圖7 電容母排中點電流時域波形

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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

國家重點基礎研究發展計劃973項目（2013CB035601）和國家自然科學基金項目（51077129）

鄧晨（1990-）, 男，研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。