“I”型三电平逆变器开关管不均压研究

摘要：为解决“I”型三电平逆变拓扑中内、外开关管的不均压问题，在逆变拓扑开关管的控制方式及硬件电路上提出了优化的方案。开关管发波控制中，在原有的时序控制中加入开机和关机的时序逻辑，开机时保证内管先于外管开通，关机时保证外管先于内管关断，避免内、外管承受电压不一致的情况。在硬件电路中，对内管增加阻容网络，消除了内、外管同时关断时由于其寄生参数不一致而导致的内、外管承受电压不一致的现象。实验结果表明，该方法可以彻底解决“I”型三电平拓扑中内、外管承受电压不一致的问题。

引言

　　随着光伏逆变器、UPS、变频器等行业的发展，新颖的逆变器拓扑结构的应用越来越广泛。具有高效率、高频率、低谐波及输出滤波器小等特点的三电平逆变拓扑，在逆变功率变换中扮演着举足轻重的角色。

　　在常用的三电平拓扑结构中，“T”型和“I”型的应用较为流行。有关文献研究结果表明，开关频率在16kHz以上时，“I”型逆变拓扑开关管损耗与“T”型相比较小，有明显的优势。近年来，随着逆变器功率密度的不断提高，受效率、谐波、体积及成本等因素影响，“I”型越来越凸显其优势。而“I”型三电平逆变拓扑在工程应用中，由于其结构形式为开关管的串联，开关管的静态和动态均压问题是“I”型拓扑的设计关键，串联的开关管不均压会直接导致过压损坏，直接影响系统的可靠性。

　　本文针对“I”型三电平的逆变器，从开关管的控制方式及硬件电路上做了优化。保证开机时，内管先于外管开通，关机时，内管后于外管关断，解决了内、外管承受电压不一致的问题。

1 “I”型三电平拓扑及工作特点

　　“I”型三电平拓扑如图1所示，直流侧经过直流电容接入，在“I”型的桥臂中点处连接交流输出的低通滤波器，滤波器形式可为LC或LCL。在开关管交替开通、关断时，桥臂中点电压有三种变化形式：+BUS、N及-BUS，这三种电平经过低通滤波器滤波处理后变为工频的电压波形。

　　为了将桥臂中点三种脉动的交流电平变为规则的正弦波，三电平拓扑中开关管的发波需要进行严密的逻辑控制。一般地，在逆变器输出的正半周内，Q1高频开关动作，其占空比呈正弦包络，Q2为工频变化的开关管，在正半周处于常通的状态。同时，在输出正半周内，Q3的开关动作逻辑与Q1呈互补状态，Q4呈关断状态。而在输出负半周，四个开关管的工作状态与正半周对调，即Q4呈高频开关动作，占空比呈正弦包络，Q3负半周中常通，Q2与Q4逻辑互补，Q1呈关断状态。详细逻辑关系如图2所示。

　　“I”型三电平开关管动作控制逻辑按照图2工作时，在正半周内，Q1、Q2导通时，Q3、Q4关断，二者串联承受双边母线电压;在负半周内，Q3、Q4导通时，Q1、Q2关断，二者串联承受双边母线电压。每个开关管及钳位二极管关断时承受的反向电压最大为半边母线电压。

2 内、外开关管均压设计

2.1 “I”型三电平内、外管不均压分析

　　“I”型三电平在一般应用时，四个开关管及两个二极管均选用耐压规格相同的器件。比如典型的380VAC/400VAC(线电压)电网，直流侧母线电压为400V左右，开关管及二极管一般选择600V耐压。

　　“I”型三电平拓扑开关管不均压主要表现在同侧的内、外管上，一般均出现在逆变器开机与关机时刻。不均压根本原因是由内、外开关管的寄生参数差异而造成的，由于开关管的生产线工艺差异、批次差异等，均会造成内外管的输出电容Coss不同[2-3]。一般地，开关管在关断后所承受的电压主要取决于集电极与发射极(IGBT)或漏极与源极(MOSFET)的输出结电容Coss。结电容越大，在分压时分到的电压越小，结电容越小，分到的电压越大^[6-12]。

　　以关机时刻为例，如图3所示，四个开关管同时关断，逆变器滤波电感续流，半边IGBT的反并联二极管导通将“I”型三电平桥臂中点(即交流输出点)拉至正母线或负母线，致使另外半边的内、外开关管串联承受双边母线电压。在这种内、外开关管串联承受双边母线电压的时刻，由于开关管输出电容Coss的差异，使得内、外管不均压。如果开关管的结电容参数相差较大的话，会直接导致内管关断电压过高而发生雪崩击穿，损坏开关管。

　　以下从电感电流的两个流向来分析，即流出桥臂中点和流入桥臂中点。

　　(1)电感电流流出桥臂中点

　　如图3中(a)所示，当由于逆变器过流、过压等情况出现，需要关机时，逆变器滤波电感的电流在一定时间内需要续流，电流流向保持前一正常工作时刻的流向不变，即从桥臂中点流出，其续流路径详细情况见图4所示^[10]。

　　逆变器滤波电感需要续流，将D3、D4自然打开。因此，桥臂中点电压与直流侧的-BUS基本一致(仅相差两个串联二极管的通态压降)[14]。而在关机时，Q1、Q2关断，其关断状态是通过Q1、Q2开关管的两个输出电容Coss分担双边母线电压来进行。在此，如果Q1、Q2的输出电容的寄生参数由于工艺、批次等原因不一致时，其关断的时间将会有差异。

　　假如Q1的Coss较Q2小，即会造成Q1先关断，Q2后关断，而在这种情况下，D5会导通，将Q1、Q2的中点电压钳位在正负母线电压的中点，即零电压。对于后关断的Q2来说不会承受双边母线电压，比较安全。但如果Q1的Coss较Q2大，情况就不容乐观。将会造成Q1后关断，Q2先关断，而在这种情况下，D5承受的电压为负，无法将Q1、Q2的中点电压钳位在正负母线电压的中点零电压，此刻会导致Q1、Q2电压不均，极限情况下，先关断的Q2会承受双边母线电压，发生过压雪崩击穿，损坏Q2，进而将逆变器损毁。

　　(2)电感电流流入桥臂中点

　　如图3中(b)所示，当由于逆变器过流、过压等情况出现，需要关机时，逆变器滤波电感的电流在一定时间内需要续流，电流流向保持前一正常工作时刻的流向不变，即电流流入桥臂中点^[11]，其续流路径详细情况见图5所示。

　　逆变器滤波电感需要续流，将D1、D2自然打开，因此，桥臂中点电压与直流侧的+BUS基本一致(仅相差两个串联二极管的通态压降)。而在关机时，Q3、Q4关断，其关断状态是通过Q3、Q4开关管的两个输出电容Coss分担双边母线电压来进行^[13,15]。在此，如果Q1、Q2的输出电容的寄生参数由于工艺、批次等原因不一致时，其关断的时间将会有差异。

　　假如Q4的Coss较Q3小，即会造成Q4先关断，Q3后关断，而在这种情况下，D6会导通将Q3、Q4的中点电压钳位在正负母线电压的中点，对于后关断的Q3来说不会承受双边母线电压，比较安全。如果Q4的Coss较Q3大，将会造成Q4后关断，Q3先关断，而在这种情况下，D6承受的电压为负，无法将Q3、Q4的中点电压钳位在正负母线电压的中点零电压，此刻会导致Q3、Q4电压不均，极限情况下，先关断的Q3会承受双边母线电压，发生过压雪崩击穿，损坏Q3，进而将逆变器损毁。

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。