“I”型三电平逆变器开关管不均压研究

时间: 2024-08-14 19:47:30 |   作者: AC电源接口

  ：为解决“I”型三电平逆变拓扑中内、外开关管的不均压问题，在逆变拓扑开关管的控制方式及硬件电路上提出了优化的方案。开关管发波控制中，在原有的时序控制中加入开机和关机的时序逻辑，开机时保证内管先于外管开通，关机时保证外管先于内管关断，避免内、外管承受电压不一致的情况。在硬件电路中，对内管增加阻容网络，消除了内、外管同时关断时由于其寄生参数不一致而导致的内、外管承受电压不一致的现象。实验根据结果得出，该办法能够完全解决“I”型三电平拓扑中内、外管承受电压不一致的问题。

  摘要：为解决“I”型三电平逆变拓扑中内、外开关管的不均压问题，在逆变拓扑开关管的控制方式及硬件电路上提出了优化的方案。开关管发波控制中，在原有的时序控制中加入开机和关机的时序逻辑，开机时保证内管先于外管开通，关机时保证外管先于内管关断，避免内、外管承受电压不一致的情况。在硬件电路中，对内管增加阻容网络，消除了内、外管同时关断时由于其寄生参数不一致而导致的内、外管承受电压不一致的现象。实验根据结果得出，该办法能够完全解决“I”型三电平拓扑中内、外管承受电压不一致的问题。

  随着光伏逆变器、UPS、变频器等行业的发展，新颖的逆变器拓扑结构的应用愈来愈普遍。具有高效率、高频率、低谐波及输出滤波器小等特点的三电平逆变拓扑，在逆变功率变换中扮演着举足轻重的角色。

  在常用的三电平拓扑结构中，“T”型和“I”型的应用较为流行。有关文献研究根据结果得出，开关频率在16kHz以上时，“I”型逆变拓扑开关管损耗与“T”型相比较小，有明显的优势。近年来，随着逆变器功率密度的逐步的提升，受效率、谐波、体积及成本等因素影响，“I”型越来越凸显其优势。而“I”型三电平逆变拓扑在工程应用中，由于其结构及形式为开关管的串联，开关管的静态和动态均压问题是“I”型拓扑的设计关键，串联的开关管不均压会直接引发过压损坏，直接影响系统的可靠性。

  本文针对“I”型三电平的逆变器，从开关管的控制方式及硬件电路上做了优化。保证开机时，内管先于外管开通，关机时，内管后于外管关断，解决了内、外管承受电压不一致的问题。

  “I”型三电平拓扑如图1所示，直流侧经过直流电容接入，在“I”型的桥臂中点处连接交流输出的低通滤波器，滤波器形式可为LC或LCL。在开关管交替开通、关断时，桥臂中点电压有三种变化形式：+BUS、N及-BUS，这三种电平经过低通滤波器滤波处理后变为工频的电压波形。

  为了将桥臂中点三种脉动的交流电平变为规则的正弦波，三电平拓扑中开关管的发波有必要进行严密的逻辑控制。一般地，在逆变器输出的正半周内，Q1高频开关动作，其占空比呈正弦包络，Q2为工频变化的开关管，在正半周处于常通的状态。同时，在输出正半周内，Q3的开关动作逻辑与Q1呈互补状态，Q4呈关断状态。而在输出负半周，四个开关管的工作状态与正半周对调，即Q4呈高频开关动作，占空比呈正弦包络，Q3负半周中常通，Q2与Q4逻辑互补，Q1呈关断状态。详细逻辑关系如图2所示。

  “I”型三电平开关管动作控制逻辑按照图2工作时，在正半周内，Q1、Q2导通时，Q3、Q4关断，二者串联承受双边母线关断，二者串联承受双边母线电压。每个开关管及钳位二极管关断时承受的反向电压最大为半边母线 内、外开关管均压设计

  “I”型三电平在一般应用时，四个开关管及两个二极管均选用耐压规格相同的器件。比如典型的380VAC/400VAC(线电压)电网，直流侧母线V左右，开关管及二极管一般选择600V耐压。

  “I”型三电平拓扑开关管不均压主要体现在同侧的内、外管上，一般均出现在逆变器开机与关机时刻。不均压最终的原因是由内、外开关管的寄生参数差异而造成的，由于开关管的生产线工艺差异、批次差异等，均会造成内外管的输出电容Coss不同[2-3]。一般地，开关管在关断后所承受的电压主要根据集电极与发射极(IGBT)或漏极与源极(MOSFET)的输出结电容Coss。结电容越大，在分压时分到的电压越小，结电容越小，分到的电压越大

  以关机时刻为例，如图3所示，四个开关管同时关断，逆变器滤波电感续流，半边IGBT的反并联二极管导通将“I”型三电平桥臂中点(即交流输出点)拉至正母线或负母线，致使另外半边的内、外开关管串联承受双边母线电压。在这种内、外开关管串联承受双边母线电压的时刻，由于开关管输出电容Coss的差异，使得内、外管不均压。如果开关管的结电容参数相差较大的话，会直接引发内管关断电压过高而发生雪崩击穿，损坏开关管。

  逆变器滤波电感需要续流，将D3、D4自然打开。因此，桥臂中点电压与直流侧的-BUS基本一致(仅相差两个串联二极管的通态压降)[14]。而在关机时，Q1、Q2关断，其关断状态是通过Q1、Q2开关管的两个输出电容Coss分担双边母线电压来进行。在此，如果Q1、Q2的输出电容的寄生参数由于工艺、批次等原因不一致时，其关断的时间将会有差异。

  假如Q1的Coss较Q2小，即会造成Q1先关断，Q2后关断，而在这种情况下，D5会导通，将Q1、Q2的中点电压钳位在正负母线电压的中点，即零电压。对于后关断的Q2来说不会承受双边母线电压，比较安全。但如果Q1的Coss较Q2大，情况就不容乐观。将会造成Q1后关断，Q2先关断，而在这种情况下，D5承受的电压为负，无法将Q1、Q2的中点电压钳位在正负母线电压的中点零电压，此刻会导致Q1、Q2电压不均，极限情况下，先关断的Q2会承受双边母线电压，发生过压雪崩击穿，损坏Q2，进而将逆变器损毁。

  如图3中(b)所示，当由于逆变器过流、过压等情况出现，需要关机时，逆变器滤波电感的电流在一段时间内需要续流，电流流向保持前一正常工作时刻的流向不变，即电流流入桥臂中点

  逆变器滤波电感需要续流，将D1、D2自然打开，因此，桥臂中点电压与直流侧的+BUS基本一致(仅相差两个串联二极管的通态压降)。而在关机时，Q3、Q4关断，其关断状态是通过Q3、Q4开关管的两个输出电容Coss分担双边母线的输出电容的寄生参数由于工艺、批次等原因不一致时，其关断的时间将会有差异。

  假如Q4的Coss较Q3小，即会造成Q4先关断，Q3后关断，而在这种情况下，D6会导通将Q3、Q4的中点电压钳位在正负母线电压的中点，对于后关断的Q3来说不会承受双边母线电压，比较安全。如果Q4的Coss较Q3大，将会造成Q4后关断，Q3先关断，而在这种情况下，D6承受的电压为负，无法将Q3、Q4的中点电压钳位在正负母线电压的中点零电压，此刻会导致Q3、Q4电压不均，极限情况下，先关断的Q3会承受双边母线电压，发生过压雪崩击穿，损坏Q3，进而将逆变器损毁。

  本文来源于中国科技期刊《电子科技类产品世界》2016年第6期第59页，欢迎您写论文时引用，并标注明确出处。