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NPC2三電平拓?fù)錂M管過(guò)壓保護(hù)開關(guān)邏輯

2023/10/13
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NPC2三電平拓?fù)湟驗(yàn)槠湫矢撸?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1472330.html">諧波含量低,在光伏逆變器設(shè)計(jì)中應(yīng)用非常廣泛。由下圖可以看到,NPC2由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成,包含豎管T1/T4,橫管T2/T3。

在市電異?;蛘吣孀兤飨到y(tǒng)故障時(shí),逆變器是否需要特殊的開關(guān)邏輯,對(duì)NPC2拓?fù)渲械臋M管進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)呢?

我們以橫管T2/3采用50A 650V H5 IGBT IKW50N65H5,豎管T1/4為40A 1200V S6 IGBT IKW40N120CS6為例子。

當(dāng)市電異常時(shí),逆變器啟動(dòng)保護(hù)機(jī)制,如下圖,從波形上看,T1與T2同時(shí)開始關(guān)斷,但因?yàn)镠5芯片開關(guān)速度天然比CS6快很多,即使在關(guān)斷電阻T2>T1的情況下(T2 Rg=40ohm,T1 Rg=20ohm),T1的Vge下降速度依然比T2的Vge下降速度要慢,T2先關(guān)斷。從波形上看,T2的Vce電壓平臺(tái)維持在780Vdc附近,持續(xù)了50us。對(duì)于800V母線系統(tǒng),NPC2拓?fù)?,橫管最好用650V器件,其損耗比1200V低,但780V的電壓平臺(tái)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)器件的最大CE耐壓。雖然下面波形圖的管子還沒有損壞,但是這在設(shè)計(jì)中絕對(duì)不允許的,需要把電壓降低至合理的水平。

對(duì)于這種情況,可能的原因是,線路上雜散電容Cs(或者RC吸收電路上的電容Cs)的電荷無(wú)法釋放造成。

如上圖,Cs模擬雜散電容(或者RC吸收電容),以正半周為例,T2比T1先關(guān)斷:

左圖T1,T2開通T3的電容(Cs)會(huì)被充電,電壓在+Bus,中圖當(dāng)T2先關(guān)斷時(shí),Cs的電荷的泄放回路被切斷,Cs電壓會(huì)維持在+Bus,右圖當(dāng)T1關(guān)斷時(shí),輸出電感電流通過(guò)T4的二極管續(xù)流,AC輸出的點(diǎn)會(huì)被嵌位到-Bus。從而T2 CE兩端電壓會(huì)在+Bus和-Bus之間,總電壓會(huì)是2倍Bus,遠(yuǎn)超橫管常用的1倍Bus電壓的器件選型。

如果,改變T1,T2的關(guān)斷時(shí)序,T1比T2先關(guān)斷:

如上圖,左圖,T1開通時(shí),Cs電壓為+Bus。中圖,當(dāng)T1先關(guān)斷,因?yàn)門2還在開通,電感在續(xù)流情況下,電流會(huì)從中點(diǎn)流向AC輸出端,Cs電容上的電壓會(huì)被釋放掉至0。右圖,當(dāng)T2關(guān)斷時(shí),電流通過(guò)T4二極管續(xù)流,AC輸出端被嵌位在-Bus。在T2CE兩端的電壓為0和-Bus??傠妷菏?倍Bus電壓。與第一種情況相對(duì),T2上電壓會(huì)減少一半。T2沒有過(guò)壓的風(fēng)險(xiǎn)。

仿真驗(yàn)證:

以PLECS仿真軟件,搭建上圖的線路。以T2先于T1關(guān)斷,和T2延后T1關(guān)斷兩種情況來(lái)進(jìn)行仿真。

上圖當(dāng)T2比T1先關(guān)斷,三通道T2 Vce=800V.

上圖當(dāng)T1比T2先關(guān)斷,三通道T2 Vce=400V.

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證:

第二次測(cè)試,減小T1 Rg=10ohm,維持T2 Rg=40ohm,從下面的波形可以看出,T1Vge下降速度比T2Vge下降速度要快,T1比T2先關(guān)斷,T2 Vce電壓平臺(tái)會(huì)維持在390Vdc附近,大約為1/2母線電壓??梢缘弥朔椒▽?duì)減少T2過(guò)壓有很好的效果。

從上述的分析和實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)橫管雜散電容較大(或有RC吸收電路)時(shí),在市電異?;蛘吣孀兤飨到y(tǒng)故障時(shí),逆變器需要加入橫管的延時(shí)關(guān)斷策略,以減少橫管過(guò)壓的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。

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