三電平逆變器開關管電壓應力解決方案研究

楊 鴿，鄭嘉龍，楊 玨，羅雨航

(四川水利職業技術學院， 四川 成都 611231)

0 引 言

電力電子開關器件現已經被廣泛應用于電力電子設備中。對于三相橋式電力電子變流器的拓撲結構，電力電子開關器件在開通關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備的應用更廣泛，在高電壓、大功率場合就需要設計更能適應這種環境的拓撲結構，比如多電平、級聯等。目前主要有3種拓撲結構：級聯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、串聯的開關管數量和電平越多時，則其開關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三電平逆變器開關管電壓應力產生機理進行了詳細的分析研究，并且就三電平開關管的電壓應力問題提出了解決方法，主要有兩方面：1)選擇反并聯二極管恢復性能較好的MOSFET 作為外管；2)使內管開通速度減小為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上分析了三電平逆變器開關管應力問題，在遵循三電平逆變器開關管驅動原則的基礎上設計了驅動保護電路，并重點分析了死區發生電路和狀態切換發生器，最終，在相關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個開關器件，用S1、S2、S3和S4表示。通過恰當地組合S1、S2、S3和S4的開關順序，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個開關管的驅動與電網電壓極性有關，如圖2所示。當輸入電壓Ua為正電壓時，S1和S3互補開關，S2導通，S4斷開。當輸入電壓Ua為負電壓時，S2和S4互補開關，S1斷開，S3導通[9-11]。

圖2 三電平逆變器的開關波形

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

開關管電壓應力超標波形如圖3所示，對開關管電壓應力現象進行詳細分析如下：圖中t1時刻S4關斷，S1和S2關斷，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出現電壓應力超標的問題，對上述開關管出現的應力現象簡要分析后可知三電平逆變器開關管應力主要由于下面兩種情況導致：1)開關管反向導通后電流路徑因其互補管的開通發生換流，由此導致了開關管兩端電壓發生突然變化，二極管反向恢復，產生很大的電壓應力尖峰，這時的開關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管的關斷對于外管的影響導致電壓應力的突升；2)開關管閉合后因其互補管的導通導致開關管兩端的電壓突然變化，這時的開關管兩端穩定后電壓值躍變幅度會略小于前一狀況發生時的電壓應力值。

圖3 三電平逆變器開關信號邏輯導致內管電壓應力超標波形

2 三電平逆變器開關管電壓應力解決方法

2.1 三電平逆變器開關管驅動遵循的原則

為了解決開關器件的應力問題，三電平逆變器的各個開關器件驅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，并留有足夠的死區時間；

3)S2/S4之間必須互補，并留有足夠的死區時間；

4)任何時刻保證先關斷外管，后關斷內管；

5)外管關斷后，必須保證內管有足夠的共通時間，以便外管都建立均衡的電壓。

為了遵循上述開關管驅動原則，如圖4所示設計一種適用于上述原則的三電平逆變器的驅動保護電路。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為保護信號和關機信號。

圖4 三電平逆變器的驅動保護電路框

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

2.2 死區發生電路

死區發生電路以PWM輸入為基準，產生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管的驅動信號；S1Z代表輸入電壓過零點附近S1管的驅動信號。S1N代表輸入電壓為負時S1管的驅動信號，依次類推。

死區發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 死區發生電路結構

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

圖6 死區發生電路內各信號間的時序

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

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 狀態切換時序發生器

狀態切換時序發生器的輸入為電壓的極性以及保護信號。它根據電壓的極性和當前保護信號的狀態選取死區發生電路的三組輸出中的一組作為脈沖。并且保證每個狀態之間切換時，各個開關管之間的驅動信號時序滿足三電平逆變器驅動時序的基本原則。狀態切換時序發生器的輸出為同步后的電壓極性信號UPNzVectorSyn以及各組驅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器組成，如圖7所示。

圖7 狀態切換時序發生器

在圖7中，邏輯電路的功能為在UPNzVector電平發生變化時產生一個寬度約為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，控制多路選擇開關關閉S1和S4的觸發脈沖，S2和S3的觸發脈沖由PWM的狀態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，實現內管驅動的切換。Timer=t1+t2+t1時，VolswitchRise3輸出低電平，禁止定時器繼續計數，同時接手新的外管驅動信號。從而保證在電壓極性或者系統開關機過程中始終保證各管的驅動信號滿足“先封鎖外管驅動→死區時間→強行驅動導通內管→執行與調制策略對應的內管驅動→死區時間→執行與調制策略對應的外管驅動”。

狀態切換時序發生器的內部信號邏輯如圖8所示。

圖8 狀態切換時序發生器內部信號邏輯關系

3 實驗驗證

為了驗證所設計的驅動保護電路，適當改變調制算法，在基于DSP的三電平逆變器實驗平臺上進行了開關管電壓應力研究試驗，試驗逆變器模塊硬件參數如下：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動波形細節

圖10 逆變器輸出正電壓且幅值較大時的驅動波形細節

圖11 逆變器輸出負電壓，且幅值較大時的驅動波形細節

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

4 結 語

上面主要解決三電平逆變器開關管電壓應力問題，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管開通、關斷時的電壓驅動波形圖，從波形圖中可知開關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、大功率場合的開關管電壓應力問題提供了技術支撐。