三相全橋逆變器的并聯均流設計

張新民，趙影

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三相全橋逆變器的并聯均流設計

張新民，趙影

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

通過多臺小功率的三橋全橋逆變器的并聯是實現變頻器大容量輸出的有效方式。通過并聯可實現電力電子變換裝置的模塊化，易維修，N+1冗余，可靠性及系列化。由于IGBT器件本身參數、驅動回路參數、散熱裝置參數的差異，導致IGBT并聯時電流不均衡。本文分析了帶輸出電抗器均流的三相三相全橋逆變器的并聯均流特性，設計了輸出電抗器參數，給出了仿真和試驗結果，試驗結果表明了對并聯特性分析的合理性及有效性。

全橋逆變器 并聯 輸出電抗器

0 引言

當前電力電子變換裝置通過多種方式實現大容量輸出，包括采用功率器件的串聯[1]，并聯[2]，多電平拓撲[3]，或者采用功率單元級聯等方式。當前，在船舶電力推進，鐵路機車，石油，化工等領域對大容量變頻裝置的需求強烈，雖然各器件生產廠家對高電壓電流等級器件研制不斷升級，依靠模塊化，小容量電力變換裝置的并聯依然是實現大容量電力變換裝置的有效方式，可以實現系列化設計，降低研制成本，N+1冗余，易于維修及高可靠性等。

本文研究的全橋逆變器的并聯基于器件級的并聯，通過在橋臂輸出端配置適當大小的電感來實現大容量輸出。

1 并聯系統特性分析

如圖1所示為多個逆變橋并聯后驅動三相電機的示意圖。個三相全橋逆變組件通過輸出電抗器并聯后驅動電機，并聯的逆變器共用同一直流母線。1，2，n表示DSP發出的脈沖信號經并聯板分配后給予各個逆變組件的控制信號。

當不連接輸出電抗器時，逆變器的并聯等同于個器件并聯的三相橋式逆變器，由于器件參數及驅動的分散性，各個器件的電流差異較大，如圖2所示為2個單相橋臂不帶輸出電抗器并聯的仿真波形，兩組并聯單元的驅動脈沖延時為150 ns，直流母線電壓為1100 V。從圖2可以看出當不加輸出電抗器時，兩個并聯管子的電流不均衡程度大，管子的電流不均衡度達到12.2%，IGBT需要降額使用。

對圖1所示的并聯三相橋式電路進行簡化，如圖3所示，V、V、V表示n#逆變器三相橋臂輸出PWM電壓，假設輸出電抗器串入每個并聯支路的電感值相等，不失一般性，對A相電路進行簡化分析如圖4所示，由于逆變器帶電機負載，電機負載的電流近似為正弦，將A相電流用正弦電流源來表示。

定義每個逆變器的相阻抗

則A相電路的等效戴維南阻抗為

公共連接點電壓

對電流I求導可得

顯然，并聯支路的等效阻抗增大時，支路間的電流不平衡對阻抗差異的依賴減小，增大阻抗Z的方法有：增大并聯支路阻性成分，但影響直流電壓利用率；增大并聯支路感性成分，阻性成分極小。本文采用后者來實現對支路間電流的均衡。

由于器件自身參數差異，及驅動單元CU的延時差異，使得橋臂輸出電壓V存在差異，考慮兩個逆變器并聯的情況，有

顯然當支路參數差異很小時上式可簡化為

可見當負載電流增大時，電流不平衡與總負載電流的比值減小，不平衡度降低。由式（8）可得到輸出電抗器的最小值

V為直流母線最大值，⊿為脈沖延遲最大值，為最大允許電流差，為基波電流角頻率。

2 并聯均流仿真

每相并聯支路的分析可單獨進行。在Saber軟件中，搭建單相并聯仿真電路，對脈沖延遲，輸出電抗不同取值對并聯電流不均衡度的影響進行仿真，得到電流不平衡度隨延遲時間及輸出電抗器電感值的變化關系如圖5所示。由不平衡度曲面知道，關斷脈沖延遲比開通脈沖延遲對電流不平衡的影響更大。對于給定的不均衡度指標，在脈沖延遲給定范圍下，輸出電抗器電感有一最小值，只要選取的電感超過最小值，均衡度指標便可達到。

3 并聯實驗

搭建2個三相組件并聯的試驗平臺，直流母線電壓650 V，輸出電抗器取值為13.5 μH，輸出阻感負載值選為L=0.15 mH，R=1/6W。

并聯板及光纖板位于1#逆變器側，并聯板將光纖板傳送的PWM脈沖分為兩路送給1#及2#逆變器的驅動板，1#逆變器的并聯板與驅動板直接通過端子排相連，1#逆變器的并聯板通過40 cm排線送給2#逆變器的驅動板。

實驗中測得A相上管的V波形如圖6所示。1#逆變器V開通關斷波形均超前于2#逆變器，且關斷脈沖延遲的程度大于開通脈沖，使得1#逆變器的電流大于2#逆變器，相應的并聯實驗數據如表1所示。

從并聯實驗數據表格中可以看出，A、B、C三相并聯電流不均衡度在小電流時差異較大，在電流增大時減小，原因一方面由于鐵芯電抗器在電流較大時電感值增大，使電流差異減小，另一方面由于IGBT的正溫度系數，在電流增大導致結溫升高的同時，IGBT的壓降增大，使得流過IGBT的電流減小，起到自動均流作用，因此，在電流達到額定工作點附近，電流的不均衡度較小，控制在7%以內，滿足對并聯均流指標的要求。

表1 并聯實驗數據表格

4 結論

本文分析了帶輸出電抗器的逆變器并流特性，指出逆變器并聯支路的輸出電流對阻抗的敏感度隨著支路阻抗的增大而減小。可采用增大支路感性成分，減小阻性成分的方式來平衡并聯支路電流。通過對影響并聯電流不均衡度的因素的分析，得到了電流不平衡度隨延遲時間及輸出電抗器電感值的關系曲面，作為并聯不均衡度設計的依據。通過兩個三相橋組件的并聯試驗，電流的不均衡度控制在7%以內，驗證了電抗器均流的有效性。

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Current Balancing of Three-phase Inverters in Paralleling

Zhang Xinmin, Zhao Ying

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM461

A

1003-4862（2013）12-0020-04

2013-03-13

張新民(1987-),男，碩士。研究方向:電力電子技術。