鄭小朋，江馮林，鄧蘇娟

（1.安徽城市管理職業(yè)學(xué)院 軌道交通學(xué)院，安徽合肥，230011；2.陽光電源股份有限公司，安徽合肥，230088）

0 引言

光伏并網(wǎng)逆變器是將太陽能電池所輸出的直流電轉(zhuǎn)換成符合電網(wǎng)要求的交流電再輸入電網(wǎng)的設(shè)備，是并網(wǎng)型光伏系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換與控制的核心，其逆變效率、電路可靠性、輸出波形 THD 以及故障處理能力將直接對(duì)并網(wǎng)逆變器系統(tǒng)產(chǎn)生影響。而在諸多逆變拓?fù)渲?，NPC 型三電平并網(wǎng)逆變器憑借開關(guān)頻率相對(duì)要低、功率容量大、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好、輸出諧波小等優(yōu)點(diǎn)在高壓大功率應(yīng)用場(chǎng)合中得到更多關(guān)注。IGBT 是光伏逆變器功率變換的核心器件，是一種電壓控制型的功率器件，其具有輸入阻抗高、開關(guān)頻率高、熱穩(wěn)定性好、易觸發(fā)和能承受高壓強(qiáng)電流等特點(diǎn)，是當(dāng)今電力電子高壓應(yīng)用領(lǐng)域中的理想器件。但由于IGBT 自身特性原因，其在負(fù)載短路或過流的情況下，易出現(xiàn)超出熱極限、擎住效應(yīng)與關(guān)斷時(shí)過高的電壓尖峰等現(xiàn)象而造成IGBT損壞，影響系統(tǒng)正常工作。據(jù)工程應(yīng)用反饋情況統(tǒng)計(jì)，中高壓變頻器因IGBT 失效而導(dǎo)致的故障占總故障的90%以上，因此，逆變系統(tǒng)對(duì)IGBT 驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路提出了較高的要求。本文驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)包含驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出處理電路與驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路，dV/dt 保護(hù)電路和RCD 緩沖電路，最后給出了所設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路實(shí)際輸出測(cè)量波形，光伏逆變器并網(wǎng)三相波形與電能質(zhì)量分析。

1 NPC 型三電平并網(wǎng)光伏逆變器

本文采用10kW 級(jí)NPC 型三電平光伏逆變器作為實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，輸出經(jīng)過三相濾波器和變壓器后連接至電網(wǎng)側(cè)。系統(tǒng)直流母線電壓整定為700V，由主電路拓?fù)淇芍瑔蝹€(gè)功率管最高可承受直流母線電壓為350V，考慮到2～3 倍的裕量，功率管耐壓值取值范圍在700～1050V 之間，同時(shí)由系統(tǒng)額定功率可得，網(wǎng)側(cè)電流取值約為，考慮到1.5～2 倍的裕量，功率管耐流值取值范圍約為43A，系統(tǒng)開關(guān)頻率為9kHz，綜上要素，功率管選型為IXYH 公司所產(chǎn)的IXYH50N120C3D1 型式（耐壓1200V，耐流50A）?？紤]到鉗位二極管所承受的反向電壓幅值與功率管相同，流過鉗位二極管電流幅值可以選擇1.5倍裕量，二極管選型為RHRG30120。

圖1 NPC 三電平光伏逆變器拓?fù)?/p>

2 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是提高DSP 最小系統(tǒng)板發(fā)出的PWM 控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力，從而達(dá)到能夠驅(qū)動(dòng)主電路 IGBT的要求，同時(shí)隔離實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的主電路與控制電路之間的電氣聯(lián)系，避免主電路大電流大電壓對(duì)控制電路的影響，驅(qū)動(dòng)電路整體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路方框圖

圖3 改進(jìn)的載波PWM 調(diào)制算法

■2.1 雙調(diào)制波PWM 法

■2.2 驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)接電路

實(shí)驗(yàn)主控芯片采用TI 公司生產(chǎn)的TMS320F28335，其I/O 端口PWM 輸出幅值僅為0～5V，驅(qū)動(dòng)能力相較所選用的IGBT 驅(qū)動(dòng)要求明顯不足，為此，基于IGBT 快速導(dǎo)通與可靠關(guān)斷的要求，在保障系統(tǒng)安全與降低開關(guān)管功率損耗取IGBT 柵極電壓正負(fù)脈沖為+15V/-5V 條件下，選擇具有高速光耦合隔離作用的富士公司所專門生產(chǎn)的集成模塊EXB841作為電平轉(zhuǎn)接入IGBT 的輸入極，其內(nèi)部的穩(wěn)壓管產(chǎn)生約-5V的關(guān)斷偏壓，能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管快速、可靠關(guān)斷。EXB841 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的最大延遲時(shí)間不超過1.5μs，開關(guān)頻率最高可至50kHz。EXB841 供電電壓使用單電源+20V 供電，主拓?fù)涿繕虮鄄捎靡唤M4 個(gè)EXB841，三相橋共使用三組，每組均使用一個(gè)變壓器，外接對(duì)應(yīng)的不控橋整流電路進(jìn)行專門供電，其本身內(nèi)部具有的過流保護(hù)電路以及功率放大電路能夠有效提高驅(qū)動(dòng)電路的抗干擾性能。取SN7407 對(duì)DSP 輸出的PWM 波進(jìn)行緩沖和驅(qū)動(dòng)電流放大，作為接入EXB841 的輸入極，驅(qū)動(dòng)電路如圖4 所示。

圖4 EXB841 外圍電路

驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)SN7404、EXB841 緩沖、放大后將原高電平為+5V 和低電平為0V 的PWM 控制信號(hào)分別轉(zhuǎn)化為高電平為+15V 以及低電平為-5V 的IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)IGBT 工作。EXB841 的2 腳和9 腳接輸入+20V 的工作電壓，14 腳輸入PWM 控制信號(hào)，3 腳輸出IGBT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，5 腳外接光電耦合器和電阻可將過流信號(hào)輸出到控制電路用于判斷電路是否過流運(yùn)行狀態(tài)，6 腳經(jīng)由快恢復(fù)二極管接到IGBT 的集電極，以Vce 極電壓降落對(duì)電路是否過程產(chǎn)生判斷，并將信號(hào)傳遞至DSP 控制接收引腳上，若導(dǎo)通壓降不在合理范圍內(nèi)，則系統(tǒng)發(fā)出關(guān)斷指令，系統(tǒng)停機(jī)，PWM 鎖波，主電路不再工作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電路以及控制回路的保護(hù)。

■2.3 dV/dt 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

雙電源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)電路的正偏電壓+Vge、負(fù)偏電壓-Vge及門極電阻R 的影響。表1 給出了門極驅(qū)動(dòng)條件與器件特性之間的關(guān)系。其中，Vces，ton，toff，Vce分別為集電極－發(fā)射極飽和壓降、開通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間和集電極－發(fā)射極電壓，↑、－、↓分別表示增加、不變、減少。

表1 IGBT驅(qū)動(dòng)條件與器件特性的關(guān)系

處于關(guān)斷狀態(tài)下的IGBT，由于與其反并聯(lián)的二極管的恢復(fù)過程，將承受C-E 電壓的急劇上升，dV/dt 在集電極柵極間的電容內(nèi)產(chǎn)生電流流向柵極驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而使得Vge增加（趨向于Vge（on）），達(dá)到閾值電壓后使得IGBT 誤導(dǎo)通。為降低過電壓以及在誤導(dǎo)通時(shí)短路大電流對(duì)IGBT 的破壞，本文采用如下方式解決：

(a)通過驅(qū)動(dòng)回路柵極電阻并聯(lián)二極管正向回路，增大關(guān)斷電壓驅(qū)動(dòng)回路電阻，延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間，抑制擎住效應(yīng)，減小過電壓；（b)采用電壓鉗位，利用鉗位二極管（快恢復(fù)型二極管）和鉗位電容抑制dV/dt 對(duì)柵極電壓的影響。

dV/dt 保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 IGBT 驅(qū)動(dòng)dV/dt 抑制電路設(shè)計(jì)

■2.4 RCD 緩沖電路設(shè)計(jì)

抑制浪涌電壓主要是利用RCD 緩沖電路來吸收。其工作原理為：當(dāng)IGBT 關(guān)斷時(shí)，流過IGBT 的電流逐漸減小，但由于寄生電感的存在，電流不能瞬間降為零，因此電流會(huì)通過RC 通道流通，在電容兩端串聯(lián)電阻是為了對(duì)電容的充電電流加以限制，防止大電流損壞電容，當(dāng)功率管導(dǎo)通時(shí)，電容儲(chǔ)存的能量通過IGBT 釋放。針對(duì)NPC 型三電平逆變器主電路以A 相橋臂為例，RCD 緩沖電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 RCD 緩沖電路設(shè)計(jì)

考慮容值裕量，取阻容回路電容C 為0.015uF。

系統(tǒng)死區(qū)時(shí)間約取1.7us，由充放電時(shí)間常數(shù)計(jì)算公式：

計(jì)算得電阻R 約為85 ?。

結(jié)合系統(tǒng)直流側(cè)總電壓為700V，單開關(guān)管關(guān)斷時(shí)承受電壓為350V，以及關(guān)斷時(shí)開關(guān)管功率損耗，考慮一定裕量情況下取電阻為85?/5W，電容0.015μF/400V。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

將設(shè)計(jì)出的 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用在10 kW 光伏逆變器上。用示波器分別測(cè)量同一橋臂成對(duì)互補(bǔ)的VA1與VA3、VA2與VA4開關(guān)管GE 兩端電壓波形，為避免上下管直通，死區(qū)時(shí)間加入1.7μs，驅(qū)動(dòng)側(cè)電壓波形如圖7 所示，20μs/div 下可以看到開關(guān)管驅(qū)動(dòng)側(cè)跳沿陡峭，信號(hào)無失真，且導(dǎo)通開關(guān)管信號(hào)能在關(guān)斷開關(guān)管信號(hào)可靠截止后動(dòng)作，在1.8us 內(nèi)迅速穩(wěn)定在+15V，幅值波動(dòng)范圍在正負(fù)0.1V 范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了可靠的導(dǎo)通、關(guān)斷與驅(qū)動(dòng)電平的穩(wěn)定輸出。測(cè)量了其約80%負(fù)載時(shí)并網(wǎng)電流波形，如圖8 所示，三相電流波形為光滑正弦波，并網(wǎng)波形較好。

圖7 同橋臂互補(bǔ)IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷波形

圖8 并網(wǎng)逆變網(wǎng)側(cè)三相電流波形

4 結(jié)論

本文針對(duì)大功率NPC 型三電平光伏逆變器應(yīng)用中IGBT關(guān)斷時(shí)易產(chǎn)生的較大dV/dt，集射極間較大的浪涌電壓危害，通過在柵極并接電流正向二極管回路來調(diào)節(jié)柵射極間驅(qū)動(dòng)電阻，進(jìn)而調(diào)節(jié)IGBT 導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間，抑制過電壓；通過在柵極側(cè)將鉗位二極管VDL、鉗位電容與IGBT 模塊信號(hào)端子連接，將柵極電位鉗位在15V 以下，有效抑制了dV/dt急速上升引發(fā)的擎住效應(yīng)，避免了IGBT 的誤導(dǎo)通。此外，基于對(duì)NPC 拓?fù)淙娖睫D(zhuǎn)換過程的分析，對(duì)RCD 吸收回路參數(shù)計(jì)算進(jìn)行了一般推導(dǎo)，結(jié)合實(shí)踐應(yīng)用于實(shí)際電路中起到了吸收浪涌電壓的效果。驅(qū)動(dòng)電路在10kW 光伏逆變器中得到驗(yàn)證，并網(wǎng)波形較好，驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定可靠，并具有保護(hù)作用，對(duì)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)可靠性起到了重要作用，所提設(shè)計(jì)方案具有較強(qiáng)的可行性，對(duì)同類型大功率光伏逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)具有較高的理論指導(dǎo)與工程實(shí)踐價(jià)值。