孟慶云 馬偉明 孫 馳 王俊炎 艾 勝

（海軍工程大學(xué)艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430033）

1 引言

二極管中點(diǎn)鉗位（NPC）型三電平逆變電路具有諸多優(yōu)越的系統(tǒng)性能，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、機(jī)車牽引及多相電機(jī)驅(qū)動(dòng)等大容量場合[1]。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[2-3]，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[4-8]，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)[7]、文獻(xiàn)[8]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?；谙到y(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[11,14]。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)雙脈沖測試動(dòng)態(tài)電壓不均衡問題分析

2.1 測試電路與兩管動(dòng)作雙脈沖方式

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[13]，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[9]，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[12]，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。

圖1 兩種不同吸收的NPC三電平測試電路Fig.1 The NPC three-level test circuit with different snubbers

圖2 兩管動(dòng)作雙脈沖方式Fig.2 The double pulse pattern with two switch action

2.2 內(nèi)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡現(xiàn)象與分析

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。

表1 各開關(guān)管初始電壓值Tab.1 The initial voltages of the switches

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[14]，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[11]，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)。

圖3 三管動(dòng)作雙脈沖發(fā)送方式Fig.3 The double pulse pattern with three switch action

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 仿真分析

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[14]。

仿真時(shí)的電路參數(shù)為：Ud＝180V，C1=C2=10μF，CS1=CS2=1.5μF，RS1=RS2=17Ω。

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=165mΩ，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。

圖4 采用純C吸收電路時(shí)開關(guān)管電壓波形Fig.4 The switch voltage waveforms with C snubber

圖5 采用2RCD吸收電路時(shí)開關(guān)管電壓波形Fig.5 The switch voltage waveforms with 2RCD snubber

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

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。

圖6 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物照片F(xiàn)ig.6 The photograph of the prototype

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[15]。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。

圖7 采用純C吸收時(shí)開關(guān)管VT3、VT4電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with C snubber

圖8 采用2RCD吸收電路開關(guān)管VT3、VT4電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.8 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with 2RCD snubber

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)[5]中的3RCD吸收電路，文獻(xiàn)[7]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)3 500V，實(shí)際上已經(jīng)超過了器件所承受的峰值電壓（3 300V）。

圖9 采用3RCD吸收電路開關(guān)管VT3、VT4電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.9 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with 3RCD snubber

圖10 負(fù)載接O點(diǎn)兩管動(dòng)作雙脈沖方式VT3過電壓實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 The over-voltage waveform of VT3 under the load linked to point O with two switch action double pulse

5 結(jié)論

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)外管動(dòng)態(tài)電壓不均衡的現(xiàn)象。相對(duì)于兩管動(dòng)作測試方法，該方法可以更加完備的分析 NPC三電平電路中各功率器件的瞬態(tài)特性以及吸收電路的的工作性能，其測試時(shí)刻及對(duì)應(yīng)被測試功率器件特性見表2。

（3）本文所提的測試電路及三管動(dòng)作雙脈沖方式可以作為 NPC三電平電路測試的一種通用測試方法，能很好的應(yīng)用于NPC三電平電路的測試。該方法具有簡單、快捷、可靠等優(yōu)點(diǎn)，是評(píng)估系統(tǒng)性能最直接有效的手段，對(duì)于分析NPC三電平電路中 IGBT與二極管的瞬態(tài)特性、吸收電路的選擇與參數(shù)設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的工程指導(dǎo)價(jià)值。

表2 被測時(shí)刻及對(duì)應(yīng)被測功率器件特性Tab.2 The corresponding characteristic of the device under the test

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