三电平拓扑结构变换器因信号延迟导致过压过流行为的研究*

亓立博

(国家电网西安供电公司 电力调度控制中心，西安 710032)



三电平拓扑结构变换器因信号延迟导致过压过流行为的研究*

亓立博

(国家电网西安供电公司 电力调度控制中心，西安 710032)

摘要：三电平二极管中点箝位变换器在电力电子领域应用广泛.由于器件的非理想性和不均一性，在实际运行中存在过电压或过电流等异常换流行为，文中分析了该种变换器的工作原理，IGBT等功率管在状态改变时发生时间延迟引发的过压过流行为，并通过编程遍历了所有可能出现的情况，在Matlab/Simulink环境下建立了反映稳态特性的功率器件行为模型，并对模型进行仿真研究.实验结果表明程序自动遍历和分析了所有可能的因信号延迟导致的过压过流行为，为初期设计中预防此种原因导致的过压过流行为提供了参考和借鉴.

关键词：变换器；信号时间延迟；过压；过流

中点箝位型三电平拓扑是目前最常用的一种高压大功率多电平拓扑结构[1-5]，在应用领域具有电压容量高，输出谐波小的特点[6-9].在二极管中点箝位三电平的控制中，存在由于IGBT等功率管在状态改变时发生时间延迟造成极短时间出现可能的异常电路状态，从而使得某一或几个IGBT功率管两端承受过压或者流经某一或几个IGBT功率管的电流过流.严重情况下甚至会烧坏IGBT功率管，造成电路的损毁或损坏.文中重点分析了因为IGBT等功率管不均一特性导致的过压过流行为，基于Matlab/Simulink环境建立了反映功率管稳态特性的行为模型，仿真出了过压过流行为，编程遍历了所有的因信号延迟导致的过压过流行为，为今后在初始设计中点箝位三电平变换器时有效预防和和解决此种原因导致的过压过流行为提供了参考和借鉴.

1三电平二极管中点箝位变换器工作原理简介

基于IGBT的三电平二极管中点箝位变换器单桥臂拓扑结构的示意图如图1所示.定义自上而下四个IGBT的名称分别为 T1、T2、T3、T4，为方便起见，下文称为1管、2管、3管和4管.在拓扑结构中，输出电压电流的点为A点，直流母线的中点为Z点，桥臂输出的相电压UAZ存在了三个电平.四个全控型IGBT器件可组成多种逻辑关系，每一种逻辑关系对应一个UAZ的值.表1为三电平开关逻辑.

图1　三电平二极管中点箝位单桥臂拓扑结构示意图

设定用0和1表征每个IGBT功率管的关断和开通.表1共列出五种可能存在的逻辑开关状态.除去0000全关断的逻辑开关状态，电路拓扑中可能存在其余四种逻辑开关状态，且只能从上下相邻的两种状态间进行切换.

表1　三电平开关逻辑表

2时间延迟造成过电压等异常换流行为分析

假设在主电路的电流向外流出的前提条件下，开关逻辑状态在0时刻时从起始状态1100变换到末了状态0000.按照理想情况，1管和2管应该同时关断，但假使1管延迟关断0.3 μs.那么在0～0.3 μs的时间段内会出现1000的只有1管处于开通状态的中间态.

如图2所示，因为出现了1000的开关状态，拓扑结构内电流将流经3管和4管旁边的旁路二极管，2管的下部从而为最低电位.又因为1管处于开通状态，2管的上部为最高电位.这样2管两端承受全边母线电压，有可能造成2管过压而损坏.

图2　开关状态为1000的电流流出情况

3Matlab/Simulink的电路仿真分析

3.1稳态仿真电路的建模

如图3所示，在Matlab/Simulink的软件环境下，调用已有的理想IGBT和二极管模型搭建三电平二极管中点箝位电路拓扑结构.每个IGBT功率管都用示波器监视电压和电流波形.设定半边母线电压值为1 500 V，设定主电路直流电流的值为100 A.考虑到三电平二极管箝位电路拓扑结构中半边母线电压为1 500 V和耐压值的余量，规定1 700 V为IGBT功率管的最大耐压值.设定流经IGBT功率管的最大流经电流为110 A.

图3　三电平二极管中点箝位稳态仿真电路

为了用脚本文件分析和设定延迟的具体情况，需要引入延迟模块联系仿真环境和脚本文件.延迟模块的作用在于通过在模块中引入变量具体设定哪一个管子需要时间延迟和控制具体的延迟时间.

引入延迟模块如图4所示，延迟模块一共可以分为三个部分：Step阶跃模块，四个Delay延迟模块和Goto连接模块.Step阶跃模块的主要作用是设定电路中初始开关状态和末了开关状态的值.Delay模块设定在开关状态转变时具体哪个管子需要被设定时间延迟以及延迟的具体的时间.Goto模块是把控制每一个IGBT开关的信号发送给每个IGBT的开关信号接收端.

图4　延迟模块的搭建

程序脚本实现以下功能：① 实时控制和改变电路中的参数，从而为遍历所有可能的延迟情况提供基础.② 不断运行电路.前后两种不同的换流状态改变前后，需要重新运行电路，得到最终的四个管子电流电压信息.③ 自动记录、分析仿真数据.记录每一种可能的换流情况下四个管子的电压和电流情况，并且根据经验或实际情况，判断管子是否出现了过压或者过流的情况，显示在人机友好的界面上.

3.2仿真结果分析

程序共记录了12种过压或者过流的异常换流行为，包括之前提及到的在电流流出情况下从开关状态1100到开关状态0000的情况.将所有情况列表见表2.

表2　时间延迟条件下的12种过压或者过流的换流行为

表2共记录了四种过压的情况，分别是电流流出情况下从0000状态到1100状态且2管延迟、从1100状态到0000状态且1管延迟，电流流入情况下从0000状态到0011状态且3管延迟、从0011状态到0000状态且4管延迟.其余的八种情况都是“中间状态”出现了未考虑死区的情况.

3.2.1发生过电压行为

在电流流出条件下，从开关状态0000到开关状态1100，2管延迟的情况下，由于2管延迟，出现了1000的中间状态，如上文中图2所示.拓扑结构内电流流过3管、4管的旁路二极管，又因为1管打开，此时2管承受全边母线电压3 000 V，出现过电压行为，必然造成2管损坏.

如图5所示为2管的仿真电压波形图.在1 μs时发生开关状态改变，2管延迟0.3 μs，在这0.3 μs内，承受3 000 V超高压，发生过压.1 μs前，由于是0000开关状态，2管承受半边母线电压.其余过电压情况类似于此种情况.

图5　2管电压波形

3.2.2发生未考虑死区情况导致的过压过流行为

由于全控型电力电子变换器的拓扑结构中，全控型功率器件的开通和关断都需要一定的时间，因此需要每个功率器件的开通和关断时间相互配合，互锁的开关器件不要出现同时开通的情况，以避免出现可能的桥臂短路事故，从而出现未考虑死区而造成的事故.

在三电平二极管中点箝位拓扑结构中，由于共有四个IGBT功率管，因此一旦出现三个IGBT功率管同时开通的情况，就必然会出现IGBT功率管和箝位二极管一起构成了短路电路，从而引发电流的畸变，可能会出现脉冲电流.导致输出的电压和电流与理想输出差异较大，导致变换器输出基波含量减少，谐波和转矩脉动增加.尤其是在低速运行时，死区效应引起的畸变电压占比较大，严重情况下可能会烧毁电机[10-11].

为电流流出的情况下，初始开关状态为1100，在1 μs时1管和2管开关状态同时发生改变，末了开关状态为0110.假设1管发生了0.3 μs的延迟.此时，在1～1.3 μs间会出现开关状态为1110的中间状态.

如图6所示，在1～1.3 μs时间内，出现1110的中间开关状态，电路中出现一短路回路，上半边母线电压被短路，瞬间出现了脉冲电流，从而造成过电流，下图为四个功率管在状态变换的时间段内的电流情况的记录.

如图7所示是四个IGBT功率管在状态变换的时间段内的电流记录情况，从左到右，自上而下的顺序为1管、2管、3管和4管.在0～1 μs中形成的1100开关状态以及1.3 μs后0110的开关状态为稳定的开关状态，拓扑电路中不流经电流.在1～1.3 μs内，1管、2管和3管出现了脉冲电流，这是短路回路的形成导致的.同时，脉冲电流也导致了IGBT功率管过压的情况.

图6　1110中间态电路拓扑中电流流向

图7　四个功率管的电流情况记录

如图8所示，在0～1 μs中形成的1100开关状态中，1管和2管不承受电压，故记录的两侧电压值为0 V，而3管和4管各自承受半边母线电压1 500 V.在1.3 μs后0110的开关状态下，由于输出电压值为半边母线电压1 500 V，故1管和4管各自承受半边母线电压1 500 V，2管3管不承受电压值.在中间状态1110开关状态下，脉冲电流的脉冲幅值很大，IGBT存在一定的内阻，故1管、2管和3管各自承受如图约370 V的电压，此时，4管独自承受剩余的电压，以使得四只管子电压值之和为全边母线电压.如图8所示.4管承受了约1 900 V电压，高于之前设定的最大耐压值17 00 V，4管过压.其余发生的未考虑死区情况导致的过压过流行为类似于此种情况.

图8　四个功率管的电压情况记录

4结 论

文中研究了二极管中点箝位型换流器拓扑结构的单个桥臂中，在某种各个全控型功率开关器件所组成的稳态逻辑开关状态下，存在的因为控制全控型功率开关器件的信号延迟发生的过电压和过电流等异常环流行为，在Matlab/Simulnk仿真环境下搭建了电路拓扑结构仿真模型，并编程进行仿真分析和研究，得到以下结论和成果：

1) 控制全控型功率开关器件的信号延迟，会造成了IGBT等功率器件发生过电压过电流等异常换流行为，甚至可能发生严重的损毁事故.

2) 通过编写脚本程序，自动遍历了所有可能发生的因为时间延迟导致的异常换流行为，并针对过电压和未考虑死区情况导致的过压过流行为分别举例进行了分析，为今后的在设计三电平变换器时有效预防时间延迟导致的过压过流行为提供了借鉴.

参 考 文 献：

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(责任编辑、校对张立新)

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Study of Overvoltage and Overcurrent Caused by Signal Time Delay in Three-level NPC Converter

QI Libo

(Xi’an Power Supply Company of State Grid,Electrical Power Patching & Control Center,Xi’an 710032,China)

Abstract:Three-level Neutral-Point-Clamped(NPC)Converters have been widely used in the field of Power Electronics.Due to the imperfection and discreteness of the devices.Abnormal commutations like overvoltage and overcurrent exist in three-level NPC converters in operation.The paper discousses the working principle of this kind of converter,and amalyzes overvoltage and overcurrent caused by signal time delay over IGBT’s state switching.All the device-damaging commutations are automatically displayed and analyzed by programming.In the environment of Matlab/Simulink software,a power device’ behavioral model which reflects its steady characteristics is built and simulated.Experimental results show that this program automatically displays and analyzes all the device-damaging commutations caused by signal time delay.The study provides a reference for preveating the similar overvoltage and overcurrent at the initial stage of design.

Key words:converter;signal time delay;overvoltage;overcurrent

DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.05.008

收稿日期：2015-11-11

作者简介：亓立博(1991-)，男，国家电网西安供电公司助理工程师，主要研究方向为电力系统调度与运行.E-mail:qilibo369@163.com.

文献标志码:中图号：TM734A

文章编号：1673-9965(2016)05-0388-06