NPC2三電平拓撲橫管過壓保護開關邏輯

NPC2三電平拓撲因為其效率高，諧波含量低，在光伏逆變器設計中應用非常廣泛。由下圖可以看到，NPC2由四個開關管構成，包含豎管T1/T4，橫管T2/T3。

在市電異常或者逆變器系統故障時，逆變器是否需要特殊的開關邏輯，對NPC2拓撲中的橫管進行過壓保護呢？

我們以橫管T2/3采用50A 650V H5 IGBT IKW50N65H5，豎管T1/4為40A 1200V S6 IGBT IKW40N120CS6為例子。

當市電異常時，逆變器啟動保護機制，如下圖，從波形上看，T1與T2同時開始關斷，但因為H5芯片開關速度天然比CS6快很多，即使在關斷電阻T2>T1的情況下（T2 Rg=40ohm,T1 Rg=20ohm），T1的Vge下降速度依然比T2的Vge下降速度要慢，T2先關斷。從波形上看，T2的Vce電壓平臺維持在780Vdc附近，持續了50us。對于800V母線系統，NPC2拓撲，橫管最好用650V器件，其損耗比1200V低，但780V的電壓平臺已經遠遠超過器件的最大CE耐壓。雖然下面波形圖的管子還沒有損壞，但是這在設計中絕對不允許的，需要把電壓降低至合理的水平。

對于這種情況，可能的原因是，線路上雜散電容Cs(或者RC吸收電路上的電容Cs)的電荷無法釋放造成。

如上圖，Cs模擬雜散電容(或者RC吸收電容)，以正半周為例，T2比T1先關斷：

左圖T1，T2開通T3的電容(Cs)會被充電，電壓在+Bus，中圖當T2先關斷時，Cs的電荷的泄放回路被切斷，Cs電壓會維持在+Bus，右圖當T1關斷時，輸出電感電流通過T4的二極管續流，AC輸出的點會被嵌位到-Bus。從而T2 CE兩端電壓會在+Bus和-Bus之間，總電壓會是2倍Bus，遠超橫管常用的1倍Bus電壓的器件選型。

如果，改變T1,T2的關斷時序，T1比T2先關斷：

如上圖，左圖，T1開通時，Cs電壓為+Bus。中圖，當T1先關斷，因為T2還在開通，電感在續流情況下，電流會從中點流向AC輸出端，Cs電容上的電壓會被釋放掉至0。右圖，當T2關斷時，電流通過T4二極管續流，AC輸出端被嵌位在-Bus。在T2CE兩端的電壓為0和-Bus?？傠妷菏?倍Bus電壓。與第一種情況相對，T2上電壓會減少一半。T2沒有過壓的風險。

仿真驗證：

以PLECS仿真軟件，搭建上圖的線路。以T2先于T1關斷，和T2延后T1關斷兩種情況來進行仿真。

上圖當T2比T1先關斷，三通道T2 Vce=800V.

上圖當T1比T2先關斷，三通道T2 Vce=400V.

實驗驗證：

第二次測試，減小T1 Rg=10ohm,維持T2 Rg=40ohm,從下面的波形可以看出，T1Vge下降速度比T2Vge下降速度要快，T1比T2先關斷，T2 Vce電壓平臺會維持在390Vdc附近，大約為1/2母線電壓?？梢缘弥朔椒▽p少T2過壓有很好的效果。

從上述的分析和實驗可知，當橫管雜散電容較大(或有RC吸收電路)時，在市電異?；蛘吣孀兤飨到y故障時，逆變器需要加入橫管的延時關斷策略，以減少橫管過壓的風險發生。

作者：何通  來源：英飛凌