“I”型三電平逆變器開關管不均壓研究

摘要：為解決“I”型三電平逆變拓撲中內、外開關管的不均壓問題，在逆變拓撲開關管的控制方式及硬件電路上提出了優(yōu)化的方案。開關管發(fā)波控制中，在原有的時序控制中加入開機和關機的時序邏輯，開機時保證內管先于外管開通，關機時保證外管先于內管關斷，避免內、外管承受電壓不一致的情況。在硬件電路中，對內管增加阻容網絡，消除了內、外管同時關斷時由于其寄生參數(shù)不一致而導致的內、外管承受電壓不一致的現(xiàn)象。實驗結果表明，該方法可以徹底解決“I”型三電平拓撲中內、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，新穎的逆變器拓撲結構的應用越來越廣泛。具有高效率、高頻率、低諧波及輸出濾波器小等特點的三電平逆變拓撲，在逆變功率變換中扮演著舉足輕重的角色。

　　在常用的三電平拓撲結構中，“T”型和“I”型的應用較為流行。有關文獻研究結果表明，開關頻率在16kHz以上時，“I”型逆變拓撲開關管損耗與“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”型三電平逆變拓撲在工程應用中，由于其結構形式為開關管的串聯(lián)，開關管的靜態(tài)和動態(tài)均壓問題是“I”型拓撲的設計關鍵，串聯(lián)的開關管不均壓會直接導致過壓損壞，直接影響系統(tǒng)的可靠性。

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

1 “I”型三電平拓撲及工作特點

　　“I”型三電平拓撲如圖1所示，直流側經過直流電容接入，在“I”型的橋臂中點處連接交流輸出的低通濾波器，濾波器形式可為LC或LCL。在開關管交替開通、關斷時，橋臂中點電壓有三種變化形式：+BUS、N及-BUS，這三種電平經過低通濾波器濾波處理后變?yōu)楣ゎl的電壓波形。

　　為了將橋臂中點三種脈動的交流電平變?yōu)橐?guī)則的正弦波，三電平拓撲中開關管的發(fā)波需要進行嚴密的邏輯控制。一般地，在逆變器輸出的正半周內，Q1高頻開關動作，其占空比呈正弦包絡，Q2為工頻變化的開關管，在正半周處于常通的狀態(tài)。同時，在輸出正半周內，Q3的開關動作邏輯與Q1呈互補狀態(tài)，Q4呈關斷狀態(tài)。而在輸出負半周，四個開關管的工作狀態(tài)與正半周對調，即Q4呈高頻開關動作，占空比呈正弦包絡，Q3負半周中常通，Q2與Q4邏輯互補，Q1呈關斷狀態(tài)。詳細邏輯關系如圖2所示。

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

2 內、外開關管均壓設計

2.1 “I”型三電平內、外管不均壓分析

　　“I”型三電平在一般應用時，四個開關管及兩個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，直流側母線電壓為400V左右，開關管及二極管一般選擇600V耐壓。

　　“I”型三電平拓撲開關管不均壓主要表現(xiàn)在同側的內、外管上，一般均出現(xiàn)在逆變器開機與關機時刻。不均壓根本原因是由內、外開關管的寄生參數(shù)差異而造成的，由于開關管的生產線工藝差異、批次差異等，均會造成內外管的輸出電容Coss不同[2-3]。一般地，開關管在關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)的輸出結電容Coss。結電容越大，在分壓時分到的電壓越小，結電容越小，分到的電壓越大^[6-12]。

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

　　以下從電感電流的兩個流向來分析，即流出橋臂中點和流入橋臂中點。

　　(1)電感電流流出橋臂中點

　　如圖3中(a)所示，當由于逆變器過流、過壓等情況出現(xiàn)，需要關機時，逆變器濾波電感的電流在一定時間內需要續(xù)流，電流流向保持前一正常工作時刻的流向不變，即從橋臂中點流出，其續(xù)流路徑詳細情況見圖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，橋臂中點電壓與直流側的-BUS基本一致(僅相差兩個串聯(lián)二極管的通態(tài)壓降)[14]。而在關機時，Q1、Q2關斷，其關斷狀態(tài)是通過Q1、Q2開關管的兩個輸出電容Coss分擔雙邊母線電壓來進行。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，其關斷的時間將會有差異。

　　假如Q1的Coss較Q2小，即會造成Q1先關斷，Q2后關斷，而在這種情況下，D5會導通，將Q1、Q2的中點電壓鉗位在正負母線電壓的中點，即零電壓。對于后關斷的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后關斷，Q2先關斷，而在這種情況下，D5承受的電壓為負，無法將Q1、Q2的中點電壓鉗位在正負母線電壓的中點零電壓，此刻會導致Q1、Q2電壓不均，極限情況下，先關斷的Q2會承受雙邊母線電壓，發(fā)生過壓雪崩擊穿，損壞Q2，進而將逆變器損毀。

　　(2)電感電流流入橋臂中點

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

　　逆變器濾波電感需要續(xù)流，將D1、D2自然打開，因此，橋臂中點電壓與直流側的+BUS基本一致(僅相差兩個串聯(lián)二極管的通態(tài)壓降)。而在關機時，Q3、Q4關斷，其關斷狀態(tài)是通過Q3、Q4開關管的兩個輸出電容Coss分擔雙邊母線電壓來進行^[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，其關斷的時間將會有差異。

　　假如Q4的Coss較Q3小，即會造成Q4先關斷，Q3后關斷，而在這種情況下，D6會導通將Q3、Q4的中點電壓鉗位在正負母線電壓的中點，對于后關斷的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后關斷，Q3先關斷，而在這種情況下，D6承受的電壓為負，無法將Q3、Q4的中點電壓鉗位在正負母線電壓的中點零電壓，此刻會導致Q3、Q4電壓不均，極限情況下，先關斷的Q3會承受雙邊母線電壓，發(fā)生過壓雪崩擊穿，損壞Q3，進而將逆變器損毀。

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