林新春
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一、 原三电平逆变器结构中开关管承受反压的问题 二、 三电平逆变器的缓冲电路设计 三、 研究总结
一、原三电平逆变器结构中开关管承受反压的问题
+BUSC1+u1−1VDC2
−+CDC1D3Q1D1Q2C2+u2−GNDQ3+1VDC2
−iLL+uC−+负uC−载C3+u3−D2+u−4CDC2D4Q4−BUSC4
图1 原三电平逆变器的拓扑结构
如图1所示，为原三电平逆变器的拓扑结构，在此结构当中，仅仅用了两个续流二极管D1与D2（而不是每一个开关管上反并联一个续流二极管），下面的分析将指出：这种拓扑结构将会导致开关管Q2和Q3在某一定时间段会承受反相电压，从而容易导致开关管损坏。
设四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4的结电容分别为C1、C2、C3、C4，我们来考虑一种特殊的电路工作状态：逆变器输出处于电压的正半周（即Q2常通，Q4常断），且此时的电感电流iL<0（iL参考方向如图所示）。在此工作状态下，如果当前时刻Q3导通而Q1关断，于是电流iL经Q3→D4→GND流过，因此u1=1/2VDC，u2=0，u3=0，u4=1/2VDC，此时，若Q3关断了，由于在Q3与Q1之间必须设置死区（否则容易导致1/2VDC直接短路），因此Q1必须要等待一段时间（即死区时间）才能开通，因此在该死区时间内，电流iL首先迅速给Q3的结电容充电，直到u3=1/2VDC之后续流二极管D1才开始导通，由于D1的导通，使得u1+u2=0，但在Q3关断前有u1=1/2VDC、u2=0，从而导致电容C1迅速向C2放电，此时间极短，很快地达到了稳态，此时u1=1/4VDC，u2=−1/4VDC，由此可见在此期间开关管Q2存在一段时间承受反相电压。同样的，开关管Q3承受反压的情况也可以进行类似的分析。
CH1：Q1的VDS CH2：Q2的VDS CH3：Q3的VDS CH4：Q4的VDS
图2 开关瞬间各开关管的VDS波形
CH1：Q1的VDS CH2：Q2的VDS CH3：Q3的VDS CH4：Q4的VDS
图3 各开关管的VDS波形
实际上，这种特殊的电路工作状态其实在逆变器很多工作状态中都会出现，如逆变器空载、带R负载、带RCD负载等等，因为存在这种工作状态的唯一条件就是：逆变器桥臂输出电压u与电感电流iL之间存在相位差异。显然这一点在实际工作当中是很容易满足的（注意考虑滤波电容C上的电流分量影响），也就是说，该拓扑结构中Q2、Q3开关管很容易就承受了反相电压。
图2给出了Q2承受反相电压的开关瞬间波形，它与理论分析完全吻合。而图3给出了空载时四个开关管的VDS波形，由图可见，Q2和Q3都会承受反相电压。
实际上由上面的分析可见，之所以会导致出现Q2、Q3开关管承受反相电压，一方面是因为开关管存在结电容，结电容上存有一定的电荷；另一方面则是由于电路中虽然有四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4但却仅有两个续流二极管D1和D2，从而使得一个开关管结电容上所存的电荷会在两个结电容上进行放电，并导致其中一个开关管承受了反相电压。因此若每一个开关管都存在续流二极管，那么开关管的结电容放电时就会通过自己的续流二极管放电，从而也就不会使得其它开关管承受反相电压，这样就提高了电路工作的可靠性。因此建议后续的拓扑电路设计时应当采用四个续流二极管的拓扑结构。
二、三电平逆变器的缓冲电路设计 2.1 原两电平缓冲电路的不适应性
原两电平逆变器的缓冲电路不适用于现在的三电平逆变器，这是因为原缓冲电路是同时跨接在＋BUS与—BUS上的，其作用的区间仅仅是在逆变器开关管关断时所引起的电压尖峰超过了2倍BUS电压时。在两电平当中在一个开关管关断而另一个开关管导通时处于关断状态的开关管所承受的电压即为2倍BUS，因此同时跨接在＋BUS与—BUS上的缓冲电路对两电平当中开关管关断时所引起的电压尖峰是有抑制作用的；而在三电平当中，当某一个开关管处于关断状态时，其上所承受的电压仅为BUS，因此只有电压尖峰超过2倍BUS电压时才会动作的缓冲电路当然就不起作用了。
2.2 用于NPC的典型缓冲电路局限性
图4给出的是一种典型的NPC缓冲电路（US Patent, Patent NO: 6,597,590,B2），在该电路当中存在三套缓冲电路，即R1C1D1缓冲、R2C2D2缓冲、R3C3缓冲。
R3C3缓冲的作用体现在：比方说，当Q2关断时，滤波电感电流（设iL>0）首先会经过R3C3缓冲电路使得C3上电压上升，当C3上电压上升到1/2VDC时，iL才经过Q3、Q4的反并联二极管续流到N2，此过程中Q2上的电压是缓慢上升的，同时若考虑G1到G2之间线路电感的存在，则此过程中G1到G2之间的线路电感的电流首先由原来的Q2流过改为流向R3C3缓冲，然后当电容C3上电压充到足够高时，G1到G2之间的线路电感上的电流将流过R2C2D2缓冲电路。但
是若不存在R3C3缓冲，那么当Q2关断时滤波电感电流（设iL>0）立即由原来流过D3、Q2改为从Q3、Q4的反并联二极管流过，于是开关管Q2上的电压立即升到1/2VDC，若再考虑到D3回路上存在的线路电感，那么会在Q2上产生比较大的电压尖峰，当然此时G1到G2之间的线路电感的电流将迅速地由D3、Q2转移到R2C2D2缓冲电路，导致G2电位迅速抬升，从而也会导致Q2关断时的电压尖峰增大。
当然，P1到P2之间的线路电感上所储存的能量在开关管Q1或Q2关断时将流过R1C1D1缓冲，从而可以避免开关管Q1与Q2关断时的电压尖峰；而N1到N2之间的线路电感上所储存的能量在开关管Q3或Q4关断时将流过R2C2D2缓冲，从而可以避免开关管Q3与Q4关断时的电压尖峰。
P1P2D11VDC2
−+R1D3C1R3C3Q1CDC1Q2AQ3G1G2iLL+uC−+负uC−载+1VDC2
−C2CDC2D4D2N1N2R2Q4
图4 一种典型的NPC缓冲电路
但是，R3C3缓冲电路虽然可以起到一定的缓冲作用，但同时也给电路带来了巨大的损耗。在图4中，以G2点为参考0电位（GND），则在输出电压正半周，A点电位在0与1/2VDC之间变化；而在输出电压负半周，A点电位在0到−1/2VDC之间变化。若R3与C3取值较小，使得每一个开关周期中C3上的电压都会在0到1/2VDC（或−1/2VDC）之间变化一次，那么每一个开关周期内都会有
2
1/2C3(1/2VDC)2=1/8C3VDC的能量消耗，且此能量大部分都消耗在电阻R3上。假设VDC=690V，C3=0.22uF，开关频率为19.2kHz，基波频率为50Hz，则可以
2
大致估算出R3上的损耗为：PR3=1/8C3VDC*384/0.020=251W。如此巨大的损耗一方面会大大降低整个系统的效率，同时另外一个方面必须选取功率等级很大
的电阻R3，显然，这是很不明智的选择。
2.3 本研究当中所采用的缓冲电路
P1P2D11VDC2
−+R1D3C1Q1CDC1Q2AG1G2iLL+uC−+负uC−载Q3+1VDC2
−C2CDC2D4D2N1
R2Q4N2
图5 比较实用的NPC缓冲电路
实验中所采用的缓冲电路如图5所示，去掉了R3C3缓冲。由以上分析可见，虽然R3C3缓冲电路对开关管关断时的电压尖峰有一定的抑制作用，但是由于会产生巨大的损耗，因此并没有很大的实用价值。实验中发现，Q2与Q3开关管关断时产生尖峰电压一般是在突加负载（尤其是在突加RCD负载）时发生的，而在其它时间段其上的电压（即使是在关断瞬间）都比较小。实际上这也容易理解，因为一方面R1C1D1缓冲和R2C2D2缓冲分别对Q2和Q3关断时的尖峰电压有一定的抑制作用；另一方面，Q2、Q3各有半个基波周期是常通的，不存在开关状态的切换，而当Q2、Q3处于开关状态时，如果Q2、Q3上有电流流过时，那么都是发生在逆变器桥臂输出电压u与滤波电感电流iL符号相反（即一正一负，其参考方向如图5所示）时，显然在带RCD载时，这种状况不可能发生（当然考虑此时存在一定的滤波电容电流，还是存在此情况的，但此时电流很小，根本不可能产生很大的电压尖峰），因此也就不会产生较大的关断电压尖峰（注意：Q2、Q3上出现电压尖峰最大的时刻是突加RCD负载时）。
但实验中却发现在突加RCD负载时会在Q2、Q3上产生很大的电压尖峰，经仔细分析，主要有以下两个方面的原因：
第一：在突加RCD负载时会产生很大的电流尖峰，由于控制板在设计时考虑的状况是当出现过流信号时同时封锁Q1、Q2、Q3、Q4的驱动信号，从而导致A点电位在封锁Q1、Q2、Q3、Q4驱动瞬间的变化最大幅值可以达到VDC，很类似于两电平逆变器工作时的状态，容易导致开关管上出现电压尖峰。
解决办法：当出现电流尖峰时仅仅封锁Q1、Q4的驱动信号，而Q2、Q3的驱动不封锁，仍然保持原状态不变，如此一来在封锁Q1、Q4驱动瞬间A点电位的变化最大幅值仅仅为1/2VDC，因此大大减小了开关管上的电压尖峰。
第二：如图6所示，为三电平逆变器的控制框图，在突加RCD负载时，输出电压Vo迅速下降，负载电流io与电感电流il迅速增大，但是无论Vo跌落有多低io上升有多大，il_ref的值由于经过了限幅处理因此取值有限，此时若电感电流il取值太大，那么即使当前处于电压正半周却有可能使得um为负值（或者：处于电压负半周却有可能使得um为正值），但程序里却完全采用um来判别桥臂输出电压的正负半周，因此会出现误判的状况。
以一个实际的工作状况对此加以说明，假设当前处于桥臂输出电压的正半周，但是由于此时突加RCD负载因此误判为是在电压的负半周，因此会做以下操作：将原来处于开关状态的Q1改为常断；将原来常通的开关管Q2改为开关状态；将原来处于开关状态的开关管Q3改为常通；将原来常断的开关管Q4改为开关状态，而在此转换过程当中，负载电流很大，很容易在开关管上产生电压尖峰。
图6 三电平逆变器的控制框图
解决办法：在程序里再加一条粗略判断桥臂输出电压正负半周的标准，即依靠wSinPointer来近似判别当前桥臂输出电压的正负半周。程序里目前所采用的方法是：当12 在经过以上改进之后，即使不加入R3C3缓冲电路，实验中证明Q2、Q3上的电压尖峰也不会很大，突加RCD负载时基本不会超过600V；而在突加RCD负载时Q1、Q4上的电压尖峰不会超过620V，Q1、Q4上的电压尖峰可以通过改善Layout来加以抑制；当然，选择更加合适的R1C1D1和R2D2C2参数也是可以考虑的方案。 图7给出了在没有R3C3缓冲时且不加任何改进办法时的相关波形，由图可见，在突加RCD负载时Q2上存在较大的电压尖峰（Q2误关断）。而图8和图9则分别表示在没有R3C3缓冲但加入以上两种解决办法时的相关波形，图8所对应的突加RCD负载时刻刚好在电压峰值点附近，由图可见此时不存在误判的状况，因此Q2上没有出现大的电流尖峰；而图9所对应的恰好是出现了误判的状况，但是由于此时输出电压幅值不大，所产生的电流也不大，即使在Q3上出现了电压尖峰（由于Q3误关断而引起的）但是其取值不大，不会对电路的可靠性造成影响。 CH1：Q1的VDS CH2：Q2的VDS CH3: 输出电压 图7 突加2KW RCD负载时的波形（没有加入任何措施时） CH1：Q1的VDS CH2：Q2的VDS CH3: 输出电压 CH4：输出电流 图8 突加2KW RCD负载时的波形(加入两个解决办法之后) CH1：Q2的VDS CH2：Q3的VDS CH3: 输出电压 CH4：输出电流 图9 突加2KW RCD负载时的波形(加入两个解决办法之后) 四、研究总结 本文针对三电平逆变器拓扑中开关管承受反压问题以及开关管缓冲问题进行了研究，并得出了一些实用的结论。由于三电平逆变器是一种比较新的拓扑结构，可能还会存在一些与当前公司里所采用的两电平有差异的地方，这些有待于进一步的深入研究。 实验中，得到了陈万的大力支持和帮助，在此表示感谢！ 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容