三電平逆變器驅動電路的應用

摘 要：文章對目前變頻器的研究熱點三電平技術的優點作了簡要敘述。在應用的基礎上對逆變器的驅動電路部分作了介紹。并對Semikron公司生產的驅動電路作了詳細的介紹，給出了一種常用的電路及其參數。

關鍵詞：變頻器；驅動電路；短路

引言

三電平逆變器是以電力系統中直流輸電、無功功率補償、電力有源濾波等應用發展的需求，高壓大功率交流電動機變頻調速系統大量應用的需求，以及20世紀70年代以來兩次世界性的能源危機和當前嚴重的環境污染引起的世界各國對節能技術與環保技術的廣泛關注為背景的[1]。而經過20多年的發展，IGBT表現出了很強的生命力，其開關性能經歷五代改進也日臻完善，同時，IGBT的容量等級也在快速提升，單管電壓已達6500V，無均流并聯電流已達3300A，已成為基本上取代了GTR，并在很多應用領域挑戰GTO的電力半導體開關器件[2-3]。

驅動電路的結構和參數會對IGBT的運行性能產生顯著影響，如開關時間、開關損耗、短路電流保護能力和抗dv/dt的能力等。因此，根據IGBT的型號類型和參數指標合理設計驅動電路對于充分發揮IGBT的性能是十分重要的[4-5]。

1 三電平NPC逆變器技術

在對二極管箱位型三電平逆變器電路和波形[6]分析之后，可以概括出三電平逆變器相對于兩電平拓撲有以下優點[7]：

1.1 NPC三電平逆變器能夠很好的解決電力電子開關耐壓不夠高的問題。由于每相輸出電壓在■-0或者■-0之間，器件承受的關斷電壓只有直流回路電壓的一半，器件受到的電壓應力小，系統可靠性有所提高；

1.2 三電平逆變器輸出電壓電平數增加后，各級電平間的幅值變化降低，低的dv/dt對外圍電路的干擾小，電磁干擾降低，在開關頻率附近的諧波幅值也小得多；

1.3 由于三電平逆變器輸出為三電平階梯波，形狀更接近正弦。在同樣的開關頻率下，諧波比兩電平要低得多；

1.4 在同樣的直流電壓Vdc下，三電平拓撲使用的開關數目并不比兩電平逆變器多。

其中逆變電路如圖1所示

圖1 三電平逆變電路圖

其工作原理通過驅動IGBT的導通關斷來實現所需要的電壓。本實驗采用電機30KW，IGBT選用西門子公司生產的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。IGBT的驅動是其中的關鍵之一。

2 驅動模塊簡介

本三電平驅動電路使用SKYPERTM32驅動內核，該模塊是Semikron公司推出的基于半橋電路的IGBT驅動模塊，它包含了所有驅動功能，并簡化了門級驅動電路。有兩路輸出通道，具有欠電壓，短路保護。驅動電流可達15A。

2.1 驅動電源

驅動電源要求15V，精度15V±4%。由于驅動板每個通道功率裕量不超過5W，實際使用12個IGBT，實際驅動電源使用15V±3%，額定電流13A，電源精度和功率都滿足要求。

2.2 驅動能力

由于IGBT的驅動原理與電力MOSFET基本相同，它是一種場控器件。其開通和關斷是由于柵極和發射極間的電壓uge決定的，當uge為正且大于開啟電壓時，MOSFET內形成溝道，并為晶體管提供基極電流進而使IGBT導通。當柵極與射極間施加反向電壓時，MOSFET內溝道消失，晶閘管的基極電力被切斷，是IGBT關斷。由于IGBT驅動原理相當于給門級輸入電容一個充電的過程，所以其開關速度和輸入電容有很大的關系。驅動板最大輸出開關頻率為fmax=IoutAVmax/QGE，其中IoutAVmax為最大輸出平均電流，QGE為被驅動的IGBT所需要的柵極電荷，可根據IGBT參數中的中輸入電容Ciss計算，QGE=■Ciss？駐u2（根據驅動板情況？駐u=22V）。

2.3 欠壓保護

2.3.1 欠電壓復位

可以把PRIM_nPWRFAIL_IN管腳當作復位功能管腳和電源相接。若電源復位，該管腳被輸入低電平，驅動被復位。當電源電壓恢復正常，驅動回復正常準備好狀態。

2.3.2 低電壓保護

如果門級驅動電壓過低則可能導致IGBT將不再完全受控。因為門級電壓比較低，IGBT可能工作在線性區，通流能力降低，損耗大，可能導致發生過熱過載。如果內部驅動內部監測到供電電壓小于13.5V，驅動發出關斷信號，關斷IGBT，輸入側脈沖無效，同時錯誤信號置位。

若驅動板二次側下降，驅動輸出信號，關斷IGBT，輸入側脈沖無效，無錯誤信號輸出。

2.4 電壓隔離

由于驅動內部試使用了隔離變壓器，脈沖輸出是不共地的，得到了隔離脈沖。不再需要外部電源的隔離。

2.5 短脈沖抑制

短脈沖抑制可以抑制脈寬小于625ns以下的干擾錯誤信號，防止其導致IGBT誤導通，提高抗干擾能力。只有脈寬大于750ns的開關信號才有效，介于二者之間的開關信號可能有效或被抑制，其原理如圖所示。

圖2 短脈沖抑制原理圖

2.6 死區時間設置

死區時間設置可防止上下橋壁同時導通導致直通短路。該驅動板可用PRIM_CFG_TDT1_IN1，PRIM_CFG_TDT1_IN2，PRIM_CFG_T

DT1_IN3，PRIM_CFG_SELECT_IN四個管腳設置不同的死區時間，死區時間表如下，其中GND為接地，open為不接。

表1 死區時間表

2.7 動態短路保護

動態短路保護可以監測IGBT開通后集射極電壓，在經過一定的時間后（Tbl，由外部電路可設置）后將VCE和外部可調的參考電壓VCESTAT相比較，一旦監測到的電壓大于參考電壓，立刻關斷該路的輸出，并將故障信號傳送至原邊的故障存儲區，記錄故障。并且封鎖后續的開通信號。其中消隱時間和參考電壓設置可分別由電容Cce和Rce來設置，其中消隱時間設置公式為

門檻電壓設置公式為 。

其中消隱時間應根據實際IGBT導通特性設置，Tbl>IGBT電壓下降到飽和狀態壓降。門檻電壓應大于IGBT飽和壓降。其可能出現的錯誤情況有以見圖3下幾種。

2.8 軟關斷

在短路情況下，IGBT會被強制關斷，du/dt過大，可能導致IGBT損壞。設置軟關斷，相當于在對門級關斷電阻串聯了電阻，可以使關斷速度減慢，比正常情況下關斷時間增大。

2.9 輸出

驅動模塊的輸出級采用MOSFET晶體管，MOSFET的源級與外部端子連接，通過串聯的開通或關斷電阻（RON或ROFF）分別天界IGBT的開通和關斷時間。該電路設計的優點是能針對開通過電流，關斷過電壓及短路時的不同情況采取單獨的開通和關斷優化處理。門級-射極電阻可防止電容非正常充電。電阻值的選取受直流母線電壓的影響、電路寄生電感、開關頻率及IGBT型號等因素的影響。

3 應用

本實驗為三電平變頻器，和一般兩點平有所不同。電機功率為33KW每個驅動板為可輸出兩路驅動信號，此次實驗用六個驅動板，共輸出12路脈沖。驅動電路如圖4所示。IGBT選用西門子公司生產的BSM 150 GB 120 DN2兩單元模塊。其參數Vsat為2.7V，開通時間為600ns，設置參考電壓Vref為5.5V，消隱時間為5.1us，根據計算公式選取電阻Rce18K，Cce330uf。開通和關斷電阻都選用5.6？贅，由于開關頻率一般不到10K，電阻功率選擇為1W已經綽綽有余。

圖4 驅動電路的應用圖

4 結論

本文針對三電平變頻器的優點作了概述，并在實驗的基礎上對驅動板的使用做了詳細的介紹，并對驅動板中一些參數的計算和元件的選取做了說明。

參考文獻

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[4]李忠臣，安繼民，陳民，等.基于開關變壓器技術的中壓（3～10kV）.

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[7]OWEN A， ANTONIO G， ROSANA E， et al. Process modeling and control using a single neural network [ C]∥IEEE International Conference on Systems Man and Cybernetics， Humans，Information and Technology. Sandiego， CA， USA： IEEE， 1994：475-1480.

[8]黃邵剛，黃華高，季國瑜.基于Matlab的異步電機軟起動過程的仿真[J].計算機仿真，2003，20（7）：101-104.

[9]洪乃剛等.電力電子和電力拖動控制系統的Matlab仿真[M].北京：機械工業出版社，2006.

作者簡介：黃釗：1987.8，性別：男，民族：漢，籍貫：皖碭山，學歷：本科，職稱：助理工程師，研究方向：自動化。