“I”型三電平逆變器開關管不均壓研究

2.2 優化控制方式

　　為了避免由于開關管自身的寄生參數差異而造成內、外管在關機時的關斷速度不一致，進而損壞內管，在“I”型三電平四個開關管的邏輯控制上加入一些保護的措施，可對開關管進行有效的保護^[1]。

　　常規的開關動作時序如圖2所示，在此基礎上加入開機、關機時刻的保護邏輯，旨在開機時刻保證內管先于外管開通，關機時刻保證內管后于內管關斷，防止內、外管承受電壓不均。加入的特殊控制邏輯大致可分為兩種：第一，開機時刻，在正半周中，按照發波相位邏輯先將Q2開通，隨后開通Q1，即Q2和Q1要有一定的延遲;在負半周中，先將Q3開通，隨后開通Q4，即Q3和Q4要有一定的延遲。第二，關機時刻，在正半周中，先將Q1關斷，隨后將Q2關斷，Q1和Q2的關斷要有一定的延遲;在負半周中，關機時，先將Q4關斷，隨后將Q3關斷，Q4和Q3關斷要有一定的延遲^[5，9]。

2.3 優化硬件電路

　　通過前文的分析可以得出，“I”型三電平內、外管關斷時不均壓的原因是由于開關管的制造工藝和批次造成其寄生參數不一致，即輸出電容Coss大小不同導致關斷速度不同，造成內、外管承受電壓不一致。

　　在發波控制方式上的優化方案可以有效針對軟開、關機的工況，即由于過流、過壓等原因的開、關機。對于控制器由于掉電復位的開、關機，無法通過發波控制解決。因此，在硬件電路中徹底解決此問題就顯得非常關鍵。而解決該問題的核心可將內管的輸出電容人為加大，使內管的關斷速度滯后于外管，這樣可以完全避免內、外管承受電壓的不一致，從而對“I”型三電平的內管進行有效保護，增強逆變器系統整體可靠性^[6-7]。

　　如圖6所示，為實現內管關斷速度滯后于外管關斷速度，在內管的集電極與發射極間并聯R、C電路，其中電容的選擇要根據IGBT本身輸出寄生電容而定。以Infineon公司的600V/50A IGBT(IKW50N60)為例，其輸出電容Coss典型值為200pF，在以此款IGBT組建“I”型三電平時，并聯電容可選用一倍到兩倍的輸出電容Coss值比較合適，在此選擇330pF/1000V的陶瓷電容。與電容串聯的電阻大概為10ohm到30ohm之間，其主要作用是將IGBT正常開關動作時電容儲存的能量用電阻消耗掉，或者可以理解為加以阻尼來防止該并聯電容與電路中寄生電感振蕩^[8]。

3 均壓效果

　　本文中“I”型三電平逆變器的功率為6kVA，IGBT選用Infineon的IKW50N60(600V/50A)，逆變器直流側母線電壓為380V，逆變器工作頻率為20kHz。

　　首先在發波控制上，利用CPLD(Complex Programmable Logic Device)將DSP發出的SPWM波按照文中提到的方法處理，即開機時，內管超前外管開通1.5μs(根據具體情況可調，一般與死區時間一致);關機時，內管滯后外管關斷1.5μs。其次，在硬件上，內管并聯阻容網絡，選擇330pF/1000V的陶瓷電容與15ohm/2W的繞線電阻。實驗測試波形見圖8和圖9，波形顯示Q1和Q2的電壓基本保持一致，不存在內、外管承受電壓不均的情況，逆變器工作良好。

4 結論

　　由測試波形可以看出，經過在發波控制上加入防止內、外管承受電壓不均的邏輯時序及在硬件電路上加入防止內管先于外管關斷的阻容網絡后，內、外管關斷的電壓保持一致，最大為半邊母線電壓。因此，該方法是從發波控制與硬件電路上進行的優化設計，可以有效解決由于內、外管關斷不一致而造成的內、外管承受電壓不均的問題。該優化設計目前已成功應用到“I”型三電平逆變器的UPS及光伏逆變器產品中。

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本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第6期第59頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。