“I”型三電平逆變器開關(guān)管不均壓研究

2.2 優(yōu)化控制方式

　　為了避免由于開關(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)開關(guān)管的邏輯控制上加入一些保護(hù)的措施，可對(duì)開關(guān)管進(jìn)行有效的保護(hù)^[1]。

　　常規(guī)的開關(guān)動(dòng)作時(shí)序如圖2所示，在此基礎(chǔ)上加入開機(jī)、關(guān)機(jī)時(shí)刻的保護(hù)邏輯，旨在開機(jī)時(shí)刻保證內(nèi)管先于外管開通，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，開機(jī)時(shí)刻，在正半周中，按照發(fā)波相位邏輯先將Q2開通，隨后開通Q1，即Q2和Q1要有一定的延遲;在負(fù)半周中，先將Q3開通，隨后開通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、關(guān)機(jī)的工況，即由于過流、過壓等原因的開、關(guān)機(jī)。對(duì)于控制器由于掉電復(fù)位的開、關(guān)機(jī)，無法通過發(fā)波控制解決。因此，在硬件電路中徹底解決此問題就顯得非常關(guān)鍵。而解決該問題的核心可將內(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，即開機(jī)時(shí)，內(nèi)管超前外管開通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。

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