一种三电平IGBT逆变器吸收电路的研究

王俊炎 胡安 孙驰

（海军工程大学电力电子技术研究所，武汉430033）

1 引言

由于NPC（中点箝位型）三电平逆变器非常适合于中高压场合使用[1]而得到广泛的关注。在实际应用中，由于主电路布线和器件本身都不可避免的存在杂散电感，IGBT关断或续流二极管反向恢复时，过高的电流变化率（di/dt）会在IGBT和二极管两端产生电压尖峰并引起震荡，严重时会超出器件的安全工作区，从而可能造成功率管的损坏。为保证IGBT和二极管的安全工作，常常加装吸收电路。

目前三电平逆变器吸收电路的研究成果主要是将两电平吸收电路拓展到三电平电路中，例如，文献[2]、[3]为 McMurry电路在中点箝位三电平逆变电路中的拓展，文献[4]、[5]为 Undeland电路在多电平中的拓展。近年来对逆变器无源无损吸收电路的研究较热[6]，但其增加了主电路拓扑的复杂程度，降低了系统的可靠性，中高电压应用场合往往仍旧采用简单的 RCD吸收电路。而3RCD形式吸收电路会导致三电平逆变器内外管电压的不平衡[7]，为了解决该问题，文献[8]提出了一种三电平逆变器最简单的吸收电路（图 1）的负面效应。经笔者研究发现：采用该种吸收电路的二极管钳位三电平主电路在实际工作时却存在两种该种吸收电路解决了3RCD形式二极管钳位三电平主电路内外管电压不均的问题，但却没有考虑到相应危险的短路路径，从而会对功率器件安全运行造成威胁，限制了其在实际工程中的应用。本文详细地分析了这两种短路过流现象，并给出了相应的理论分析和仿真结果；最后，建立了三电平半桥实验平台进行试验，实验结果验证了理论分析的正确性。

图1 文献[8]提出的吸收电路

2 逆变器工作过程分析

三电平逆变器工作时只存在 S1、S0和 S-1三种状态，实际应用中，由于IGBT开关过程非理想，存在极短的延迟，为了防止电路工作状态转换时外管单独承受整个直流母线电压而损毁的情况发生，控制上在相邻状态转换间会加入一定时间间隔，称为死区时间，如表 1所示。S1到 S0过程是先关断 T1，T1完全关断后再开通 T3，S0到S-1过程是先关断T2，T2完全关断后再开通T4，其他转换过程类似。假定负载电流在开关状态变换器件保持恒定。

表1 三电平逆变器各管开关状态

2.1 S1到S0的转换

1) 1100→0100

假设关断T1前电路的初始状态T1、T2为通态，电流流经T1和T2，CS1的电压为0；主动关断T1后，经IGBT关断延迟时间，T1上的电流下降到0，此过程中，IS换流至CS1、DS1、T2回路，为CS1充电。该回路内杂散电感产生的电压以及DS1导通时的正向恢复电压叠加，在T1上产生关断电压尖峰。

此后在 0100状态下 IS为 CS1充电，为了简化分析，忽略充电回路电阻的影响，假设死区时间内 IS没有变化，则负载电流则吸收电容CS1充电时间

2) 0100→0110

经死区时间后开通T3，实际应用中，会出现在CS1未充满电时T3管已经导通的情况，这样就存在图2(a)所示的瞬时短路路径。由于IGBT关断速度很快（微秒级），此过程中CS1两端du/dt很大，而且UPO电压越高，短路电流会更大。

为了避免产生此过电流现象，需使CS1充电至UPO后开通T3，则应使死区时间实际应用中，死区时间不宜设置过长

2.2 S0到S-1的转换

1) 0110→0010

关断T2，关断延迟过程中T2电流迅速下降，电压上升，此时 DF3因承受正向电压而导通；当T2完全关断后，CS2开始放电，直到电压降为 0时，DF4导通，最终IS流经DF3、DF4。

2) 0010→0011

由于IS经DF3、DF4流过，T2关断时开通T4对电路没有任何影响，电路完成换流转换。

图2 两种短路电流换流路径

IS未流经T4，T4被动续流开通，对电路无影响。

1) 0010→0110

开通 T2前，CS1电压为 UPO，CS2电压为 0，DC1电压为 0，T2开通后，DC1承受正向电压而导通，CS2经DC1及T2充电，由于CS2两端du/dt很大，存在如图2(b)所示的短路路径，CS2参数不变情况下，短路电流的大小同样由UON决定，最终CS1的电压为UPO，CS2电压为UON，电路完成状态变换。

2.3 S0到S1的转换

1) 0110→0100

关断T3，由于电流从DC1，T2上流过，所以T3管关断对电路没有影响。

2) 0100→1100

开通 T1，CS1由 T1回路放电，箝位二极管DC1因承受反向电压由正向导通转换到反向截止状态，此过程中二极管反向恢复电流与杂散电感产生的过电压，使T3管承受一个电压尖峰。

图3 短路电流的仿真结果

3 仿真分析

运用仿真软件 Saber对上述电路状态转换过程进行分析。使用系统自带功率器件模型，条件为 VPO=VON=500 V，CS1=CS2=1 µF，RS1=RS2=17 Ω，观察仿真结果，得到图3所示的仿真波形。

图3(a)中，t=1.075 ms时开通 T3(0100→0110)，可以看到开通 T3时刻，电容 CS1电压迅速上升，经过 CS1的电流产生一个峰值为238 A的瞬时电流尖峰，T2管同时也承受该瞬时短路电流。

图3(b)中，t=1.17 ms时，开通T2(0010→0110)，可以看到在 T2开通时刻，短路电流同时在DC1、T2、T3、CS2上产生一个电流尖峰，吸收电容 CS2电压迅速上升，流经 CS2的电流产生一个726 A的瞬时电流尖峰，T2管瞬时电流峰值达到了827 A。

4 实验验证

4.1 实验条件

使用infineon公司FZ1500R33HL3型IGBT模块；DD1200S33K2C二极管模块作为箝位二极管DC1、DC2；DD400S33KL2C二极管作为吸收二极管DS1、DS2；以及Busbar(叠层式母排)建立了单相三电平电路半桥测试平台进行实验。图4为实验电路原理图及平台实物图。

图4 测试实验原理图及平台实物照片

电路其他相关参数如下：VPO=VON=800 V，CS1=CS2=1 µF，RS1=RS2=17 Ω。为证实存在短路电流，使用长导线连接 C、N，加大负载电感值，将负载电流限制在 100 A以内。图 5为施加在IGBT门极用于测试的双脉冲信号原理图，逻辑1对应IGBT导通，逻辑0对应IGBT关断， T1、T2、T3依据其实际工作时开关顺序导通关断，由于三电平电路的对称性，T4一直保持截止状态。在各管的开通、关断时刻可对三电平电路中各器件的特性进行测试。

图5 测试用驱动脉冲原理图

4.2 实验结果与分析

1) 流经CS1的短路电流只在T3第一次开通时出现，见图6 (a)，这是由于T3开通前T1开通时间不同所导致的：t5时刻导通 T3，CS1两端电压已接近 0，见图 6(b)，而 t11时刻导通 T3，CS1已恢复至母线电压，见图 6(a)。可以看到在UP0=800 V时，瞬时电流已达到835 A，若继续提高 UPO，此短路电流势必超过 IGBT可承受的最大电流，造成IGBT的毁坏。

图6 第一种短路电流的测试波形图

2) 流经CS2的短路电流出现了两次，t1时刻 的瞬时短路并不能说明问题，原因是t1时刻电路由0010转换至0110状态时，负载电流为0，电路并非由 S-1切换至 S0状态，见图 7(a)；而 t7时刻T2开通而产生的短路电流与前述分析相吻合，见图7(b)。VON=800 V时，短路电流达到了1220 A，已经超过了 IGBT的额定工作电流。与第一种过电流原因不同，第二种过电流的短路路径是该电中固有的，过电流尖峰在主电路每次由 S-1转换至S0状态时均会出现，严重威胁器件安全工作。

图7 第二种短路电流的测试波形图

5 结束语

不同于两电平电路，二极管箝位型三电平电路在S1状态向S0状态转换，S-1状态向S0状态转换时，不是与T3、T1的续流二极管换流而是与箝位二极管DC2、DC1之间换流，这是该电路产生这两种过电流现象的原因。由于存在这两种过电流状态，该电路并不适合高压大功率逆变场合应用。本文所分析并指出的两种短路过电流现象对于设计、分析工程实用的 RCD型三电平吸收电路具有一定的借鉴作用。

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