“I”型三电平逆变器开关管不均压研究

2.2 优化控制方式

　　为了避免由于开关管自身的寄生参数差异而造成内、外管在关机时的关断速度不一致，进而损坏内管，在“I”型三电平四个开关管的逻辑控制上加入一些保护的措施，可对开关管进行有效的保护^[1]。

　　常规的开关动作时序如图2所示，在此基础上加入开机、关机时刻的保护逻辑，旨在开机时刻保证内管先于外管开通，关机时刻保证内管后于内管关断，防止内、外管承受电压不均。加入的特殊控制逻辑大致可分为两种：第一，开机时刻，在正半周中，按照发波相位逻辑先将Q2开通，随后开通Q1，即Q2和Q1要有一定的延迟;在负半周中，先将Q3开通，随后开通Q4，即Q3和Q4要有一定的延迟。第二，关机时刻，在正半周中，先将Q1关断，随后将Q2关断，Q1和Q2的关断要有一定的延迟;在负半周中，关机时，先将Q4关断，随后将Q3关断，Q4和Q3关断要有一定的延迟^[5，9]。

2.3 优化硬件电路

　　通过前文的分析可以得出，“I”型三电平内、外管关断时不均压的原因是由于开关管的制造工艺和批次造成其寄生参数不一致，即输出电容Coss大小不同导致关断速度不同，造成内、外管承受电压不一致。

　　在发波控制方式上的优化方案可以有效针对软开、关机的工况，即由于过流、过压等原因的开、关机。对于控制器由于掉电复位的开、关机，无法通过发波控制解决。因此，在硬件电路中彻底解决此问题就显得非常关键。而解决该问题的核心可将内管的输出电容人为加大，使内管的关断速度滞后于外管，这样可以完全避免内、外管承受电压的不一致，从而对“I”型三电平的内管进行有效保护，增强逆变器系统整体可靠性^[6-7]。

　　如图6所示，为实现内管关断速度滞后于外管关断速度，在内管的集电极与发射极间并联R、C电路，其中电容的选择要根据IGBT本身输出寄生电容而定。以Infineon公司的600V/50A IGBT(IKW50N60)为例，其输出电容Coss典型值为200pF，在以此款IGBT组建“I”型三电平时，并联电容可选用一倍到两倍的输出电容Coss值比较合适，在此选择330pF/1000V的陶瓷电容。与电容串联的电阻大概为10ohm到30ohm之间，其主要作用是将IGBT正常开关动作时电容储存的能量用电阻消耗掉，或者可以理解为加以阻尼来防止该并联电容与电路中寄生电感振荡^[8]。

3 均压效果

　　本文中“I”型三电平逆变器的功率为6kVA，IGBT选用Infineon的IKW50N60(600V/50A)，逆变器直流侧母线电压为380V，逆变器工作频率为20kHz。

　　首先在发波控制上，利用CPLD(Complex Programmable Logic Device)将DSP发出的SPWM波按照文中提到的方法处理，即开机时，内管超前外管开通1.5μs(根据具体情况可调，一般与死区时间一致);关机时，内管滞后外管关断1.5μs。其次，在硬件上，内管并联阻容网络，选择330pF/1000V的陶瓷电容与15ohm/2W的绕线电阻。实验测试波形见图8和图9，波形显示Q1和Q2的电压基本保持一致，不存在内、外管承受电压不均的情况，逆变器工作良好。

4 结论

　　由测试波形可以看出，经过在发波控制上加入防止内、外管承受电压不均的逻辑时序及在硬件电路上加入防止内管先于外管关断的阻容网络后，内、外管关断的电压保持一致，最大为半边母线电压。因此，该方法是从发波控制与硬件电路上进行的优化设计，可以有效解决由于内、外管关断不一致而造成的内、外管承受电压不均的问题。该优化设计目前已成功应用到“I”型三电平逆变器的UPS及光伏逆变器产品中。

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第6期第59页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。