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双三电平变频器开关器件分析_电子通信网络论文

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简介摘要:针对大功率双三电平变频器应用中出现的igbt损坏问题,本文在简要介绍三电平变换器工作原理的基础上,分析了功率开关器件失效的主要原因:过电压、过电流和热应力。并由此提出无感

摘要:针对大功率双三电平变频器应用中出现的igbt损坏问题  ,本文在简要介绍三电平变换器工作原理的基础上  ,分析了功率开关器件失效的主要原因:过电压、过电流和热应力 。并由此提出无感功率母线优化设计的思路  ,同时研究了各种计算器件开关损耗的方法  ,为三电平变频器主电路母排设计以及系统热设计提供了理论参考依据 ,提高系统的电磁性能和散热性能  。
  关键词:变频器 三电平 过电压 叠层母排 开关损耗
   高压大功率双三电平变换器具有开关器件耐压低、输出电压谐波小、负载电机转矩脉动小和电磁噪声低等特点  ,在大功率场合得到了广泛应用  。IGBT 具有开关频率高(达20 kH z)、通态压降低、开关损耗小等优点  。但随着器件开关频率的提高 ,实际应用中  ,由于过电压、过电流、过热所造成的IGBT 损坏的事故时常发生  。
   1.二极管钳位型双三电平变换器的工作原理
   整流侧采用二极管不控整流前端的传统三电平变频器 ,存在对电网谐波影响大、动态响应不够高等缺点  。因此  ,对于高压大功率以及同时需要重物下放的工况情况下  ,可以采用双三电平拓扑结构的变换器:前端三电平可控整流 ,后端三电平逆变调速  。
   该变频器由4个二极管钳位的NPC三电平逆变器连接而成 。全控开关均采用IGBT模块  ,包含了4个钳位二极管和2个与直流回路中点相连的附加二极管  ,两个等值电容器分别跨接于直流回路的正极与中点以及中点与负极之间  。 在理想情况下  ,两个电容器的分压相等  ,并等于直流回路总电压的一半  。这样就有利于采用低压电力电子器件实现较高电压的输出 ,并且各开关器件没有均压问题的存在  ,简化了产品设计  ,提高了设备可靠性[1]
   2.IGBT 过电压的产生及抑制
   随着电力电子器件的高压、高频化发展  ,三电平变换器主电路换流过程中  ,由于IGBT关断时集电极电流的下降率较高  ,同时由于主电路杂散电感的存在  ,将在IGBT 两端感应很高的尖峰电压Uce= Ldi / dt  ,该尖峰电压与直流母线电压相叠加 ,施加在IGBT 两端  ,易使IGBT 受过电压击穿而损坏 。
   针对关断过电压产生原因 ,从根本上解决IGBT 逆变器过电压的方法是采用零电压、零电流关断的软开关技术 。但由于其功能实现复杂  ,技术成本高 ,实现起来难度很大  。现阶段还是以硬关断为主  ,同时采取相应过电压抑制措施  。可以从降低主电路分布电感及采用合适的吸收电路等方面来解决  。
   (1)增加栅极电阻  。通过增加栅极驱动电阻来减小di/dt, 从而减小尖峰电压 ,弊端是导致dv/dt减小  ,开通和关断时间延长 ,进而增加开关损耗  。所以此法不予使用.
   (2)采用吸收回路  。吸收电路的主要作用是用来控制 IGBT 等功率器件的关断浪涌电压和续流二极管恢复浪涌电压 ,减少器件的开关损耗  ,充分利用IGBT 的功率极限  。吸收电路一般情况下可分为:由C、R 构成的无极性吸收电路及带二极管的有极性两种[2]  。
   (3)降低主电路分布电感  。减少电机驱动器直流间回路功率母线的分布电感  ,通常采用叠层功率母线 。它有如下优点:低寄生电感  ,简化吸收电路以及降低对周围空间的电磁辐射等  。
   根据电磁场理论 ,叠层功率母线做成扁平截面形状  ,同样截面下做得越薄越宽 ,则寄生电感越小  。在实际应用中 ,增大相叠部分的母线的宽长比  ,同时保证引出线在母排的同一侧使上下母排流过的电流方向相反等  ,都有助于减小主电路电感 ,从而有效抑制过电压  ,降低开关损耗 。
   3.无感母线的优化设计
   (1)母排等效电路模型  。提取母排的分布参数  ,建立等效电路模型  ,是母排分析和设计的基础  。可以采用基于部分元等效电路法的Ansoft Q3D 仿真软件对母排进行建模  。该方法只需要母排的几何形状和材料信息 ,主要包括工作频率和单元划分确定、几何模型建立、网格剖分以及参数计算四个步骤  。
   (2)无感母排的设计方法  。传统的分立母排寄生电感量过大,在功率开关关断瞬间产生的瞬态电压与直流回路电压叠加,对功率开关和电动机绝缘构成威胁  。分布电感量越大,负载电流越大,功率开关的电流下降时间越短,这种危害就越严重 。这种危害不会因为功率开关器的选择而消失 。为了消除这种危害,人们便研究出叠层母排技术 。
   无感叠层母排的设计[3]主要包括:尺寸设计、布局设计以及分配设计  。其中 ,对于母排尺寸设计研究较多  。
   母排布局设计是指母排在三维物理空间的置放方式  。它通常采用层叠置放方式  ,以使换流回路面积尽量减小  ,从而减小母排杂散电感及对开关器件关断过电压的影响 。母排的布局设计与逆变器的换流过程密切相关  ,布局时应该尽量使上下母线流过的电流具有叠层效应  。
   母排分配设计指母排与电路元件之间连接位置的设计  。一般的母排设计中  ,母排连接点的选取一般只考虑连接方便、连接距离近以及母排连接点端子制作简单等因素 。在母排分配设计时  ,应尽可能增大低优先级支路母排电感、减小高优先级支路的母排电感  。
   4.结论
   三电平高压大功率变频器中 ,大功率IGBT 模块价格较高  ,若处理不当 ,不但会造成较大的经济损失  ,还会对调速系统的工作性能产生消极影响 。IGBT 因过电压而损坏的速度是非常快的  ,高压变频器应采用低杂散电感的无感功率母线连接 。因此  ,双三电平变频器主电路设计时  ,一方面 ,考虑元器件的选取应留有适当的裕量;另一方面  ,要考虑变频器主回路中母排结构、布线及散热的设计  。
  
  参考文献:
  [1]韩安容等.通用变频器及其应用[M].北京:机械工业出版社  ,2006.[2]赵正毅  ,杨潮.对三电平IGBT 变流器两种缓冲电路的研究.中国电机工程学报[J].2006 ,20(6):42-46.[3]易荣 ,赵争鸣  ,袁立强.高压大容量变换器中母排的优化设计.电工技术学报[J].2008 。

       

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