基于半橋結(jié)構(gòu)的np三電平逆變器雙脈沖測試方法

基于半橋結(jié)構(gòu)的np三電平逆變器雙脈沖測試方法

1按南口徑管特性的雙脈沖測試方法的提出,過程中沒有任何可以消除的問題中點(diǎn)鉗位（nb）的三烷基逆變電路具有許多優(yōu)越的系統(tǒng)性能，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)車運(yùn)行、多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)等繁忙場合。在NPC三電平逆變器的研制過程中需要對(duì)電路進(jìn)行必要的測試,以掌握功率器件(如IGBT和快恢二極管)的瞬態(tài)特性以及吸收電路的工作性能與吸收效果。對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平逆變電路,通常是采用斬波電路和雙脈沖方式可以很好地對(duì)功率器件的瞬態(tài)開關(guān)特性、短路特性、溫度特性及吸收電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行測試與研究,且已經(jīng)成為兩電平電路的“標(biāo)準(zhǔn)”測試方法。目前,許多文獻(xiàn)結(jié)合NPC三電平電路的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程對(duì)功率器件開關(guān)特性及吸收電路設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究,但仍沒有形成一種簡單可靠的針對(duì)NPC三電平電路的測試方法,多是以整個(gè)系統(tǒng)電路為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)且以連續(xù)脈沖形式開展測試。如文獻(xiàn)、文獻(xiàn)通過對(duì)帶感應(yīng)電機(jī)負(fù)載的NPC三電平電路的測試,研究了其提出的吸收電路的性能,給出了整個(gè)系統(tǒng)測試的試驗(yàn)結(jié)果。事實(shí)上,對(duì)于功率器件及吸收電路的有效性測試應(yīng)在整個(gè)逆變器實(shí)際運(yùn)行工作前進(jìn)行。基于系統(tǒng)的測試固然可以,但存在以下不足:(1)不能在系統(tǒng)研制早期發(fā)現(xiàn)問題,測試過程復(fù)雜且成本較高,需要多路控制信號(hào)及負(fù)載等;(2)存在不安全因素,尤其是在不合理設(shè)計(jì)參數(shù)下的測試將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成危險(xiǎn);(3)測試電流不宜做的太大,且要考慮系統(tǒng)損耗問題,無法完成開關(guān)管的短路特性測試。為了尋求一種簡單可靠的針對(duì)NPC三電平電路的測試方法,基于傳統(tǒng)兩電平測試思想,依據(jù)NPC三電平電路結(jié)構(gòu)與控制的對(duì)稱性及換流路徑的對(duì)偶性,可以將兩電平雙脈沖測試方法擴(kuò)展到半橋結(jié)構(gòu)的NPC三電平測試電路中。但在采用傳統(tǒng)“兩管動(dòng)作”雙脈沖測試方法研究開關(guān)特性及吸收電路設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn),該方法會(huì)引起內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡問題。針對(duì)這一問題,本文基于帶吸收電路的半橋結(jié)構(gòu)NPC三電平測試電路,結(jié)合器件特性及外圍吸收電路的影響,詳細(xì)分析了傳統(tǒng)雙脈沖測試中電壓不均衡現(xiàn)象的原因,提示了內(nèi)外管電壓不均衡現(xiàn)象產(chǎn)生的電路機(jī)理。提出一種三管動(dòng)作雙脈沖方法解決了傳統(tǒng)雙脈沖測試中的內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡的問題。該方法充分考慮了NPC三電平電路模態(tài)轉(zhuǎn)換過程和開關(guān)管的死區(qū)時(shí)間,已經(jīng)很好地應(yīng)用于NPC三電平電路的測試中。實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果證明了理論分析的正確性以及所提測試方法的合理性。2傳統(tǒng)雙脈沖測試的動(dòng)態(tài)電壓不平衡分析2.1純c或2rcd吸收電路測試根據(jù)NPC三電平電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,以半橋電路作為基本的測試電路。為防止功率器件過壓,測試電路通常需要加裝吸收電路,本文以兩種不同吸收形式的半橋NPC三電平電路作為研究對(duì)象:純C吸收和2RCD吸收,如圖1所示。測試時(shí)需要完成電路中所有功率開關(guān)瞬態(tài)特性及吸收電路性能和效果的測試。事實(shí)上,根據(jù)NPC三電平電路結(jié)構(gòu)與控制上的對(duì)稱性以及換流回路的對(duì)偶性,對(duì)于NPC三電平電路的測試,只要考慮以VT1、VT2為動(dòng)作開關(guān),根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程完成VT1、VT2、VDcl1、VD3、VD4以及吸收電路的測試。按照NPC三電平載波PWM和雙脈沖測試的原理,并確保內(nèi)管最先開通、最后關(guān)斷的原則,那么測試脈沖可為如圖2所示的兩管動(dòng)作雙脈沖發(fā)送方式,即對(duì)開關(guān)管VT1、VT2施加驅(qū)動(dòng)信號(hào),開關(guān)管VT3、VT4被封鎖。2.2動(dòng)態(tài)電壓不均衡分析對(duì)于純C吸收,假定在t1時(shí)刻前電路處于穩(wěn)態(tài),各主開關(guān)管電壓見表1。t1時(shí)刻VT2管導(dǎo)通,負(fù)載電流開始上升,VT3、VT4管門極脈沖被封鎖,因此它們共同承受直流母線電壓Ud。假定VT3、VT4器件本身動(dòng)態(tài)特性相同,阻態(tài)下流過兩管的漏電流相同,那么t1時(shí)刻VT3與VT4兩端電壓應(yīng)該承受相同的電壓,即由0升至Ud。在t3時(shí)刻,VT1導(dǎo)通,那么VT3與VT4兩端電壓應(yīng)由Ud升至2Ud。事實(shí)上,由VT2導(dǎo)通時(shí)刻的等效電路知,鉗位二極管VDcl2與VT3形成并聯(lián)關(guān)系,加上導(dǎo)線連接的非對(duì)稱性及器件本身特性的差異,這些都會(huì)引起VT3與VT4的漏電流差異,從而破壞了VT3與VT4之間的動(dòng)態(tài)電壓平衡關(guān)系,使VT3與VT4在開關(guān)管狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中承受不同電壓。對(duì)于2RCD吸收,假定電路上電后已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài),且各開關(guān)管電壓表1所示。在t1時(shí)刻,VT2導(dǎo)通,那么VT3、VT4共同承受直流母線電壓Ud。由于VT3門極被封鎖,電容Cs2通過VT3、VDcl2以及平衡電阻Rb三者的并聯(lián)等效阻斷電阻充電,因此對(duì)于電容Cs2其時(shí)間常數(shù)τCs2為式中Roff——VT3、VDcl2并聯(lián)等效阻斷電阻。那么VT4上的電壓為VT3處于阻態(tài)時(shí),其等效電阻將達(dá)到數(shù)兆歐級(jí)以上,使得時(shí)間常數(shù)τCs2相對(duì)于開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間來說要大得多,因此由式(2)知電容Cs2兩端電壓上升較慢,從而使VT3在t1~t3之間承受了比VT4較大的母線電壓。在t3時(shí)刻,VT1開通,Cs1放電。當(dāng)Cs1放電完畢后,VT1兩端電壓為0,這時(shí)VT3、VT4兩端電壓總電壓為2Ud。由于VT3仍為封鎖狀態(tài),同前面的分析,此時(shí)整個(gè)母線電壓大部分施加在VT3兩端。由式(1)與式(2)易知,隨著Roff和Cs2的增加,VT3與VT4間的電壓不均衡度將會(huì)增加。同時(shí),加上由鉗位二極管VDcl1在t3或t9時(shí)刻引起的反向恢復(fù)電壓,將會(huì)使VT3的最高電壓尖峰超過器件最大安全工作區(qū),可能造成其失效而損壞。通過以上分析可知,傳統(tǒng)的兩管動(dòng)作雙脈沖方式在NPC三電平電路測試中產(chǎn)生內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡問題。其原因是,在VT1、VT2狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí),由于VT3被“封鎖”,加之NPC三電平特殊的電路結(jié)構(gòu)及外圍吸收電路的影響,使VT3、VT4電壓狀態(tài)無法正常配置而造成的。為解決狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中引起的內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡問題,采用一種三管動(dòng)作雙脈沖發(fā)送方式,如圖3所示。該方式使VT3參與動(dòng)作,提前配置了VT4的工作狀態(tài),并考慮了VT1與VT3之間的死區(qū)作用。另外由于VT4的動(dòng)作并不影響電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程,因此可以使VT4門極信號(hào)在整個(gè)測試中處于封鎖狀態(tài)。純C吸收的三電平電路如圖1a所示,當(dāng)VT2在t1時(shí)刻導(dǎo)通后,由于VT3處于導(dǎo)通狀態(tài),那么VT4將承受母線電壓Ud。t2時(shí)刻,關(guān)斷VT3,經(jīng)過死區(qū)時(shí)間后在t3時(shí)刻VT1開通,那么VT3升至Ud。同理,對(duì)于2RCD吸收電路,由于VT3的參與,在t1時(shí)刻使Cs2可以通過處于通態(tài)的VT3充電至Ud,VT4兩端電壓升至Ud。在t3時(shí)刻,VT1開通,其兩端電壓逐漸降為0,VT3兩端電壓逐漸升高至Ud。因此,這種三管動(dòng)作的雙脈沖發(fā)送方式避免了傳統(tǒng)雙脈沖方式下的內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡的問題。另外,三管動(dòng)作的雙脈沖測試方法同時(shí)考慮了VT1、VT3的死區(qū)時(shí)間,可以完整地分析各功率器件的瞬態(tài)特性以及吸收電路的的工作性能。3脈沖電壓不平衡現(xiàn)象為了驗(yàn)證前面分析的正確性,采用仿真軟件Saber分別對(duì)圖1所示的兩種不同吸收方式的NPC三電平電路在不同脈沖發(fā)送方式下的情況進(jìn)行了分析。為了模擬實(shí)際電路,仿真同時(shí)考慮了線路雜散電感和二極管非理想特性對(duì)電路的影響。仿真時(shí)的電路參數(shù)為:Ud=180V,C1=C2=10μF,CS1=CS2=1.5μF,RS1=RS2=17?。為了模擬實(shí)際電路情況,仿真采用阻感性負(fù)載。利用數(shù)字電橋,提取實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的一卷導(dǎo)線阻感值為:R=165m?,L=63μH。圖4給出了采用純C吸收時(shí)不同測試脈沖方式時(shí)開關(guān)管電壓的仿真波形。圖5給出了采用2RCD吸收時(shí)不同測試脈沖方式時(shí)開關(guān)管的電壓仿真波形。由仿真結(jié)果可以看出,在采用兩端動(dòng)作雙脈沖測試時(shí),對(duì)于兩種不同吸收電路中的VT3、VT4發(fā)生了電壓不平衡現(xiàn)象,尤其是對(duì)2RCD吸收電路,當(dāng)VT1第一次開通時(shí),VT3幾乎承受了整個(gè)母線電壓。采用三管動(dòng)作雙脈沖后,完全消除了因VT3阻斷而引起的內(nèi)外管電壓不平衡現(xiàn)象。4不同脈沖方式下vt3和vt4電壓差異實(shí)驗(yàn)采用與仿真相同的電路及參數(shù),圖6為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的實(shí)物照片。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中采用的IGBVT模塊為FZ1500R33HL3,鉗位二極管為DD1200S33K2C,吸收二極管采用DD400S33KL2C。采用的實(shí)驗(yàn)儀器與測試探頭:TDS5054示波器;高壓差分探頭P5205和P5210;電流探頭采用CWT15B。為了減小換流回路的雜散電感,采用精心設(shè)計(jì)的層疊復(fù)合母排作為各開關(guān)管的連接線。另外,為了防止測試過程中對(duì)開關(guān)管造成損壞,利用直流側(cè)電容放電在低壓大電流下對(duì)前面的理論與仿真分析進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,采用一卷長導(dǎo)線作為負(fù)載連接于C、N點(diǎn)。圖7與圖8分別給出純C吸收與2RCD吸收電路時(shí)不同測試脈沖方式下的VT3、VT4電壓實(shí)驗(yàn)波形。由圖7a可以看出,對(duì)于采用純C吸收的NPC三電平電路,兩管動(dòng)作雙脈沖方式下VT3電壓達(dá)到226V,超過母線電壓的25%之多,而VT4電壓相對(duì)較低。同時(shí),由圖8a知,采用2RCD吸收電路時(shí)由于Cs2無充電路徑造成了VT3、VT4更為嚴(yán)重的電壓不均衡現(xiàn)象,使VT3電壓達(dá)到332V,幾乎達(dá)到整個(gè)母線電壓(360V)。而VT3最高電壓尖峰達(dá)到436V(雜散電感引起的電壓及鉗位二極管VDcl1反向恢復(fù)電壓),當(dāng)直流母線電壓較高時(shí)就可能造成VT3過電壓。由圖7b和圖8b可以看出,采用三管動(dòng)作雙脈沖測試,當(dāng)工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)VT3、VT4的電壓都達(dá)到了正常值,完全消除了內(nèi)外管電壓不均衡的現(xiàn)象,從而可以很好地分析各功率器件的瞬態(tài)開關(guān)特性以及吸收電路的工作性能。因此實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)一步證明了理論分析與仿真的正確性以及三管動(dòng)作雙脈沖測試方法在NPC三電平電路測試中的合理性。事實(shí)上,對(duì)于NPC三電平其他吸收電路,如文獻(xiàn)中的3RCD吸收電路,文獻(xiàn)中的LRD型吸收電路等,在兩管動(dòng)作雙脈沖下同樣存在內(nèi)外動(dòng)態(tài)電壓不均衡的現(xiàn)象,限于篇幅,本文給出在不同脈沖方式下采用3RCD吸收電路時(shí)的VT3、VT4電壓實(shí)驗(yàn)波形,如圖9所示。另外,當(dāng)將圖1測試電路中的負(fù)載連接于C與O點(diǎn)時(shí),在兩管動(dòng)作雙脈沖下存在與負(fù)載接N點(diǎn)同樣的情況。由于負(fù)載連接點(diǎn)的不同,電壓不均衡現(xiàn)象發(fā)生在VT1、VT2第二次導(dǎo)通時(shí)刻,這里給出一組采用2RCD吸收電路在兩管動(dòng)作雙脈沖方式下實(shí)驗(yàn)時(shí)引起VT3過電壓的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示,由實(shí)驗(yàn)波形知當(dāng)VT1第二次導(dǎo)通時(shí)VT3的電壓尖峰已達(dá)3500V,實(shí)際上已經(jīng)超過了器件所承受的峰值電壓(3300V)。5理論分析和測試方法的驗(yàn)證傳統(tǒng)兩管動(dòng)作雙脈沖方式在NPC三電平電路測試中會(huì)引起內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡問題,基于半橋結(jié)構(gòu)的NPC三電平測試電路,分析了不同吸收電路時(shí)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中電壓不均衡產(chǎn)生機(jī)理。采用一種三管動(dòng)作雙脈沖測試方法,使內(nèi)外管電壓得到了很好的配置,解決了內(nèi)外管電壓不均衡的問題。仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提測試方法的合理性。因此,得出以下結(jié)論:(1)由于NPC三電平電路結(jié)構(gòu)的特殊性,使傳統(tǒng)兩管動(dòng)作雙脈沖測試方法引起內(nèi)外管電壓不均衡問題,尤其在外管并聯(lián)電容型吸收電路時(shí)往往造成VT3管嚴(yán)重的過壓問題,因此不適合應(yīng)用于NPC三電平電路的測試。(2)三管動(dòng)作雙脈沖測試方法完全消除了傳統(tǒng)測試方法狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中內(nèi)外