三电平逆变器开关管电压应力解决方案研究

2021-09-14郑嘉龙罗雨航

四川电力技术 2021年4期

杨鸽，郑嘉龙，杨珏，罗雨航

(四川水利职业技术学院，四川成都 611231)

0 引言

电力电子开关器件现已经被广泛应用于电力电子设备中。对于三相桥式电力电子变流器的拓扑结构，电力电子开关器件在开通关断过程中的电压应力问题不予过多考虑，但是随着电力电子设备的应用更广泛，在高电压、大功率场合就需要设计更能适应这种环境的拓扑结构，比如多电平、级联等。目前主要有3种拓扑结构：级联H桥型、飞跨电容型和二极管钳位型。研究比较深入和比较常用的是三电平二极管钳位型。但若电压等级越高、串联的开关管数量和电平越多时，则其开关管的电压应力问题就越来越严重。

由于三电平二极管钳位型(neutral-point-clamped，NPC)逆变器应用比较广泛，国内外也对三电平二极管钳位型逆变器进行大量研究[1-4]。对于NPC的开关管电压应力的研究文献已有一些，如文献[5]对基于MOSFET三电平逆变器开关管电压应力产生机理进行了详细的分析研究，并且就三电平开关管的电压应力问题提出了解决方法，主要有两方面：1)选择反并联二极管恢复性能较好的MOSFET 作为外管；2)使内管开通速度减小为500 ns，而外管开通速度保持在300 ns。

下面在上述文献的研究基础上分析了三电平逆变器开关管应力问题，在遵循三电平逆变器开关管驱动原则的基础上设计了驱动保护电路，并重点分析了死区发生电路和状态切换发生器，最终，在相关实验平台上验证了所提方案的正确性。

1 三电平逆变器开关管应力分析

三电平逆变器的单相等效电路[6-8]如图1所示。这种三电平逆变器每相使用了4个开关器件，用S1、S2、S3和S4表示。通过恰当地组合S1、S2、S3和S4的开关顺序，它能输出3种电平。

图1 三电平逆变器的单相等效电路

通常情况下，三电平逆变器的4个开关管的驱动与电网电压极性有关，如图2所示。当输入电压Ua为正电压时，S1和S3互补开关，S2导通，S4断开。当输入电压Ua为负电压时，S2和S4互补开关，S1断开，S3导通[9-11]。

图2 三电平逆变器的开关波形

三电平逆变器具有效率高、开关频率高、体积小的优点。但是它对4个开关器件驱动的逻辑关系要求很高，否则很容易引起开关器件的电压应力超标。

开关管电压应力超标波形如图3所示，对开关管电压应力现象进行详细分析如下：图中t1时刻S4关断，S1和S2关断，S3保持导通，S1和S2的电压均为405 V；t2时刻，S2导通，同时S3关断，由于此时电感电流恰好等于0，S3和S4均分S2导通前的405 V电压，S1两端的电压始终保持为405 V；t3时刻，S1开始导通，405 V电压由S3和S4共同承担。由于S3和S4的特性不一致，S3出现电压应力超标的问题，对上述开关管出现的应力现象简要分析后可知三电平逆变器开关管应力主要由于下面两种情况导致：1)开关管反向导通后电流路径因其互补管的开通发生换流，由此导致了开关管两端电压发生突然变化，二极管反向恢复，产生很大的电压应力尖峰，这时的开关管两端电压值会迅速由0 V跃变至直流母线电压值或负母线电压值。此状况主要来源于内管的关断对于外管的影响导致电压应力的突升；2)开关管闭合后因其互补管的导通导致开关管两端的电压突然变化，这时的开关管两端稳定后电压值跃变幅度会略小于前一状况发生时的电压应力值。

图3 三电平逆变器开关信号逻辑导致内管电压应力超标波形

2 三电平逆变器开关管电压应力解决方法

2.1 三电平逆变器开关管驱动遵循的原则

为了解决开关器件的应力问题，三电平逆变器的各个开关器件驱动信号之间必须遵守以下切换原则：

1)任何时刻保证先开通内管(S2/S3)，再开通外管(S1/S4)；

2)S1/S3之间必须互补，并留有足够的死区时间；

3)S2/S4之间必须互补，并留有足够的死区时间；

4)任何时刻保证先关断外管，后关断内管；

5)外管关断后，必须保证内管有足够的共通时间，以便外管都建立均衡的电压。

为了遵循上述开关管驱动原则，如图4所示设计一种适用于上述原则的三电平逆变器的驱动保护电路。图中，“PWM”为DSP输入的PWM信号[12]；UPNzVector1/2为输入电压的极性；00代表输入电压为正，01代表输入电压为过零点，10代表输入电压为负；Protect为保护信号和关机信号。

图4 三电平逆变器的驱动保护电路框

整个三电平逆变器的驱动保护电路总共分为两大功能模块：1)死区发生电路模块。这个模块主要功能在于根据PWM信号输入，产生3组对应于正电压、过零点和负电压的驱动信号，并且保证各个驱动信号之间的死区满足要求。2)状态切换模块。这个模块的主要功能是根据当前电压的极性选择一组恰当的驱动信号。当电压状态发生切换时，保证两个状态切换期间，驱动信号满足以下切换顺序：“先封锁外管驱动→死区时间→强行驱动导通内管→执行与调制策略对应的内管驱动→死区时间→执行与调制策略对应的外管驱动”。并且以同样的时序完成逐波限流保护和开关机保护功能。其中，多路选择开关阵列的功能是根据状态切换时序发生器的输出选择恰当的触发脉冲用于控制三电平逆变器。

2.2 死区发生电路

死区发生电路以PWM输入为基准，产生3组共12路相互互补的PWM信号，这3组互补的PWM信号分别对应于输入电压为正、输入电压过零和输出电压为负时的驱动波形[13]。分别以P/Z/N为后缀。例如，S1P代表输入电压为正时S1管的驱动信号；S1Z代表输入电压过零点附近S1管的驱动信号。S1N代表输入电压为负时S1管的驱动信号，依次类推。

死区发生电路共包含两个定时器、6个比较器和组合逻辑电路，如图5所示。

图5 死区发生电路结构

图6为图5中各个信号之间的时序图。图中，t1代表死区时间，t2代表S2/S3管之间的共通时间。

图6 死区发生电路内各信号间的时序

由图6可知，PWM=1时，Trise清零，Tfall正常计数。反之Trise计数，Tfall清零。当Rise3=1或者fall3=1时，相应的定时器停止计数。

Trise=0时，Rise1/2/3=0。Trise=t1时，Rise1=1；Trise=t1+t2时，Rise2=1；Trise=t1+t2+t1时，Rise3=1。Tfall的比较过程与Trise的比较过程是一样的。

2.3 状态切换时序发生器

状态切换时序发生器的输入为电压的极性以及保护信号。它根据电压的极性和当前保护信号的状态选取死区发生电路的三组输出中的一组作为脉冲。并且保证每个状态之间切换时，各个开关管之间的驱动信号时序满足三电平逆变器驱动时序的基本原则。状态切换时序发生器的输出为同步后的电压极性信号UPNzVectorSyn以及各组驱动信号的切换时序控制信号VolSwitchRise1/2/3。它主要由一个定时器、3个比较器和若干个触发器组成，如图7所示。

图7 状态切换时序发生器

在图7中，逻辑电路的功能为在UPNzVector电平发生变化时产生一个宽度约为3个时钟周期的窄脉冲，用于清零定时器输出。

定时器的输入使能端由比较器3输出控制，当比较器3输出低电平时，定时器维持。定时器的输出Timer=0时，3个比较器的输出为高电平，控制多路选择开关关闭S1和S4的触发脉冲，S2和S3的触发脉冲由PWM的状态和当前的电压极性决定。当Timer=t1时，VolSwitchRise1输出低电平，强制同时导通S2和S3管，让S1和S4管建立405 V电压。当Timer=t1+t2时，VolSwitchRise2输出低电平，控制D输出器更新电压矢量输出UPNzVectorSyn，实现内管驱动的切换。Timer=t1+t2+t1时，VolswitchRise3输出低电平，禁止定时器继续计数，同时接手新的外管驱动信号。从而保证在电压极性或者系统开关机过程中始终保证各管的驱动信号满足“先封锁外管驱动→死区时间→强行驱动导通内管→执行与调制策略对应的内管驱动→死区时间→执行与调制策略对应的外管驱动”。

状态切换时序发生器的内部信号逻辑如图8所示。

图8 状态切换时序发生器内部信号逻辑关系

3 实验验证

为了验证所设计的驱动保护电路，适当改变调制算法，在基于DSP的三电平逆变器实验平台上进行了开关管电压应力研究试验，试验逆变器模块硬件参数如下：直流母线电压为800 V；额定输出功率为6 kVA；47N60CFD、47N60C3型号的MOSFET开关管额定电压为600 V，其满载时要求降额至80%即480 V的要求。实验波形如图9至图12所示。

图9 逆变器输出电压过零点附近驱动波形细节

图10 逆变器输出正电压且幅值较大时的驱动波形细节

图11 逆变器输出负电压，且幅值较大时的驱动波形细节

图9至图12是逆变器输出电压极性切换时的开关管驱动波形，其中对图9中的波形进行了详细分析，对“先封锁外管驱动→死区时间→强行驱动导通内管→执行与调制策略对应的内管驱动→死区时间→执行与调制策略对应的外管驱动”这6个时间段进行了分析和划分，其余的电压状态切换时开关管驱动波形图中时间段划分也是同样分析。从图9至图12中可以看出开关管驱动在遵循上述原则下，逆变器输出电压在电压切换时开关管的电压应力都在允许范围内，效果非常好。