“I”型三電平逆變器開(kāi)關(guān)管不均壓研究

2.2 優(yōu)化控制方式

　　為了避免由于開(kāi)關(guān)管自身的寄生參數(shù)差異而造成內(nèi)、外管在關(guān)機(jī)時(shí)的關(guān)斷速度不一致，進(jìn)而損壞內(nèi)管，在“I”型三電平四個(gè)開(kāi)關(guān)管的邏輯控制上加入一些保護(hù)的措施，可對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行有效的保護(hù)^[1]。

　　常規(guī)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖2所示，在此基礎(chǔ)上加入開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)時(shí)刻的保護(hù)邏輯，旨在開(kāi)機(jī)時(shí)刻保證內(nèi)管先于外管開(kāi)通，關(guān)機(jī)時(shí)刻保證內(nèi)管后于內(nèi)管關(guān)斷，防止內(nèi)、外管承受電壓不均。加入的特殊控制邏輯大致可分為兩種：第一，開(kāi)機(jī)時(shí)刻，在正半周中，按照發(fā)波相位邏輯先將Q2開(kāi)通，隨后開(kāi)通Q1，即Q2和Q1要有一定的延遲;在負(fù)半周中，先將Q3開(kāi)通，隨后開(kāi)通Q4，即Q3和Q4要有一定的延遲。第二，關(guān)機(jī)時(shí)刻，在正半周中，先將Q1關(guān)斷，隨后將Q2關(guān)斷，Q1和Q2的關(guān)斷要有一定的延遲;在負(fù)半周中，關(guān)機(jī)時(shí)，先將Q4關(guān)斷，隨后將Q3關(guān)斷，Q4和Q3關(guān)斷要有一定的延遲^[5，9]。

2.3 優(yōu)化硬件電路

　　通過(guò)前文的分析可以得出，“I”型三電平內(nèi)、外管關(guān)斷時(shí)不均壓的原因是由于開(kāi)關(guān)管的制造工藝和批次造成其寄生參數(shù)不一致，即輸出電容Coss大小不同導(dǎo)致關(guān)斷速度不同，造成內(nèi)、外管承受電壓不一致。

　　在發(fā)波控制方式上的優(yōu)化方案可以有效針對(duì)軟開(kāi)、關(guān)機(jī)的工況，即由于過(guò)流、過(guò)壓等原因的開(kāi)、關(guān)機(jī)。對(duì)于控制器由于掉電復(fù)位的開(kāi)、關(guān)機(jī)，無(wú)法通過(guò)發(fā)波控制解決。因此，在硬件電路中徹底解決此問(wèn)題就顯得非常關(guān)鍵。而解決該問(wèn)題的核心可將內(nèi)管的輸出電容人為加大，使內(nèi)管的關(guān)斷速度滯后于外管，這樣可以完全避免內(nèi)、外管承受電壓的不一致，從而對(duì)“I”型三電平的內(nèi)管進(jìn)行有效保護(hù)，增強(qiáng)逆變器系統(tǒng)整體可靠性^[6-7]。

　　如圖6所示，為實(shí)現(xiàn)內(nèi)管關(guān)斷速度滯后于外管關(guān)斷速度，在內(nèi)管的集電極與發(fā)射極間并聯(lián)R、C電路，其中電容的選擇要根據(jù)IGBT本身輸出寄生電容而定。以Infineon公司的600V/50A IGBT(IKW50N60)為例，其輸出電容Coss典型值為200pF，在以此款I(lǐng)GBT組建“I”型三電平時(shí)，并聯(lián)電容可選用一倍到兩倍的輸出電容Coss值比較合適，在此選擇330pF/1000V的陶瓷電容。與電容串聯(lián)的電阻大概為10ohm到30ohm之間，其主要作用是將IGBT正常開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)電容儲(chǔ)存的能量用電阻消耗掉，或者可以理解為加以阻尼來(lái)防止該并聯(lián)電容與電路中寄生電感振蕩^[8]。

3 均壓效果

　　本文中“I”型三電平逆變器的功率為6kVA，IGBT選用Infineon的IKW50N60(600V/50A)，逆變器直流側(cè)母線電壓為380V，逆變器工作頻率為20kHz。

　　首先在發(fā)波控制上，利用CPLD(Complex Programmable Logic Device)將DSP發(fā)出的SPWM波按照文中提到的方法處理，即開(kāi)機(jī)時(shí)，內(nèi)管超前外管開(kāi)通1.5μs(根據(jù)具體情況可調(diào)，一般與死區(qū)時(shí)間一致);關(guān)機(jī)時(shí)，內(nèi)管滯后外管關(guān)斷1.5μs。其次，在硬件上，內(nèi)管并聯(lián)阻容網(wǎng)絡(luò)，選擇330pF/1000V的陶瓷電容與15ohm/2W的繞線電阻。實(shí)驗(yàn)測(cè)試波形見(jiàn)圖8和圖9，波形顯示Q1和Q2的電壓基本保持一致，不存在內(nèi)、外管承受電壓不均的情況，逆變器工作良好。

4 結(jié)論

　　由測(cè)試波形可以看出，經(jīng)過(guò)在發(fā)波控制上加入防止內(nèi)、外管承受電壓不均的邏輯時(shí)序及在硬件電路上加入防止內(nèi)管先于外管關(guān)斷的阻容網(wǎng)絡(luò)后，內(nèi)、外管關(guān)斷的電壓保持一致，最大為半邊母線電壓。因此，該方法是從發(fā)波控制與硬件電路上進(jìn)行的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以有效解決由于內(nèi)、外管關(guān)斷不一致而造成的內(nèi)、外管承受電壓不均的問(wèn)題。該優(yōu)化設(shè)計(jì)目前已成功應(yīng)用到“I”型三電平逆變器的UPS及光伏逆變器產(chǎn)品中。

參考文獻(xiàn)：

　　[1] 顏文旭，程盼飛.一種改進(jìn)控制電路在IGBT串聯(lián)中的應(yīng)用[J].電源學(xué)報(bào),2015,13(4): 109-113.

　　[2]李鎮(zhèn)福,林維明,葛良安.一種新穎的IGBT串聯(lián)電路[J].電工電能新技術(shù),2013,32(4):55-58.

　　[3] 侯凱,盧文兵,姚建國(guó).自適應(yīng)IGBT串聯(lián)均壓電路設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2012,36(8):61-65.

　　[4] 同向前,寧大龍,夏偉.串聯(lián)IGBT的一種復(fù)合均壓方法 [J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2012,27(3):153-158.

　　[5] 汪波,胡安,唐勇IGBT電壓擊穿特性分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2011,26(8):145-150.

　　[6] 劉磊.IGBT串聯(lián)均壓技術(shù)的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2009.

　　[7] 熊承義，孫奉?yuàn)?IGBT串聯(lián)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)均壓[J].中南民族學(xué)院學(xué)報(bào)自然科學(xué)版,2009,19(3):1-4.

　　[8] 金其龍，孫鷂鴻，張東東.一種新電路在IGBT 串聯(lián)技術(shù)中的應(yīng)用[J].電力電子技術(shù),2009, 43(5):84-86.

　　[9]付志紅，蘇向豐，周雒維.功率器件IGBT串聯(lián)的移相控制技術(shù)[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào),2003,26(2):113-116.

　　[10] Ning Dalong，Tong Xiangqian，Shen Ming，et al. The experiments of voltage balancing methods in IGBTs series connection[A].2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC) [C].2010. 1-4.

　　[11] Carmine Abbate, Giovanni Busatto. High-Voltage High-Performance Switch Using Series-Connected IGBTs. IEEE Transactions on Power Electronics.2010, 25(9):2450-2459.

　　[12] Robinson, F. V.,Hamidi, V.Series connecting devices for high-voltage power conversion. UPEC 2007[J]. 42nd International, Sept. 2007:1205~1210.

　　[13] G. Busatto, C. Abbate, F. Iannuzzo, B. Abbate, L. Fratelli, B. Cascone and R. Manzo. High Voltage, High Performance Switch using Series Connected IGBTs [J]. IEEE PESC,2008:1606-1611.

　　[14] Kiyoaki Sasagawa, Yasushi Abe , Kouki matsuse. Voltage-Balancing Method for IGBTs Connected in Series [J]. IEEE Transactions on Industry Application, Vol.40，NO.4, July/August 2004:1025-1030.

　　[15] Palmer, P.R., Githiari, A.N. The series connection of IGBTs with active voltage sharing [J]. IEEE Transactions on Power Electronics, Volume 12 Issue 4,Jul 1997:637-644.

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