風機變流器中IGBT驅動窄脈沖的影響與限制

摘要：在大功率風機變流器中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的工作可靠性對整個風電機組的安全運行有著直接影響。分析了驅動窄脈沖對風機變流器IGBT可靠運行的危害，并從理論上闡述了空間矢量調制(SVM)中窄脈沖出現的原理及限制方法。同時基于28335型DSP不對稱死區設置的特點，指出不對稱死區設置將進一步減少觸發窄脈沖的寬度而卻使得關斷窄脈沖最少維持了2個死區時間。但關斷窄脈沖對IGBT單元體反并聯二極管的危害卻依然值得關注。最后給出了相關測試波形，對窄脈沖問題的分析和抑制具有參考意義。
關鍵詞：變流器；風機；絕緣柵雙極型晶體管；窄脈沖

1 引言
隨著環境和能源問題的不斷加劇，風力發電作為一種應用前景廣闊、經濟性較突出的綠色可再生能源而備受關注。而帶有大功率變流器設備的變速恒頻風電機組能有效利用風能，受到廣泛關注。
風電機組工作環境惡劣，卻又要求安全性和可靠性高，這就對含有大功率電力電子器件的風機變流器提出更高要求。這里結合IGBT驅動窄脈沖對風機變流器的影響，分析SVM中窄脈沖產生原理及死區設置對窄脈沖的影響，探討窄脈沖的避免與抑制，進一步提高風機變流器運行的可靠性。

2 窄脈沖的危害
圖1示出三相電壓型整流器(VSR)原理圖。IGBT模塊窄脈沖現象分如下兩種情況：①IGBT單元出現觸發窄脈沖；②IGBT單元出現關斷窄脈沖，即體二極管出現窄脈沖。這兩種均為半導體器件在未完全開通時又立即關斷的行為，都可能導致較大的浪涌電壓尖峰和振蕩，使得大功率IGBT模塊的可靠運行受到嚴重威脅，甚至損壞。特別對于體反并聯二極管單元，若IGBT出現關斷窄脈沖，則同橋臂另一只IGBT反并聯二極管就有可能出現未完全開通又立即關斷的行為，進而產生比IGBT窄脈沖觸發更嚴重的關斷電壓尖峰或振蕩。產生上述過高浪涌電壓或振蕩的原因為：半導體器件在導通后極短時間內進入反向恢復階段，在還未積累充分數量載流子的狀態下外加電壓，過渡層迅速擴大，使其產生強烈的di／dt，du／dt。故為實現IGBT的可靠應用，一般應限制最小觸發和關斷脈寬。

產生窄脈沖有些是由于硬件系統外部干擾或光纖驅動輸入光信號異常導致，而有些則是由于控制系統或電氣參數設計不當導致。前者需提高硬件系統的電磁兼容性或采取硬件限制措施，后者則可通過相應的理論分析與軟件設計加以避免。

3 SVM中窄脈寬的產生
為提高電壓利用率，大功率風電機組變流器均采用SVM控制。三相逆變器開關管共有8個開關狀態，這8個開關狀態構成了8個基本電壓空間矢量，如圖2所示，其中6個為有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；兩個為零矢量，幅值為零。

一個開關周期內，基本電壓矢量按分時方式發生作用，在時間上構成一個空間矢量序列，以合成目標矢量。目前風機變流器均采用基于DSP的對稱原則，諧波含量較小的7段式SVM合成方式被廣泛采用，其矢量圖和驅動波形圖如圖3所示。可見，7段式波形合成特點為：①在調制度接近零時，各IGBT驅動波形占空比接近50％，大功率變流器中，開關周期較長，不會出現窄脈沖；②當目標矢量位于兩個基本矢量中間位置時，零矢量作用時間最短；③在接近滿調制時，零矢量作用時間內，必將有一組橋臂出現窄脈沖，寬度為0．5倍的零矢量作用時間；④極端時，即滿調制(目標矢量位于兩個基本電壓矢量中間)時，無零矢量作用時間。