三电平逆变器驱动电路的应用

摘 要：文章对目前变频器的研究热点三电平技术的优点作了简要叙述。在应用的基础上对逆变器的驱动电路部分作了介绍。并对Semikron公司生产的驱动电路作了详细的介绍，给出了一种常用的电路及其参数。

关键词：变频器；驱动电路；短路

引言

三电平逆变器是以电力系统中直流输电、无功功率补偿、电力有源滤波等应用发展的需求，高压大功率交流电动机变频调速系统大量应用的需求，以及20世纪70年代以来两次世界性的能源危机和当前严重的环境污染引起的世界各国对节能技术与环保技术的广泛关注为背景的[1]。而经过20多年的发展，IGBT表现出了很强的生命力，其开关性能经历五代改进也日臻完善，同时，IGBT的容量等级也在快速提升，单管电压已达6500V，无均流并联电流已达3300A，已成为基本上取代了GTR，并在很多应用领域挑战GTO的电力半导体开关器件[2-3]。

驱动电路的结构和参数会对IGBT的运行性能产生显著影响，如开关时间、开关损耗、短路电流保护能力和抗dv/dt的能力等。因此，根据IGBT的型号类型和参数指标合理设计驱动电路对于充分发挥IGBT的性能是十分重要的[4-5]。

1 三电平NPC逆变器技术

在对二极管箱位型三电平逆变器电路和波形[6]分析之后，可以概括出三电平逆变器相对于两电平拓扑有以下优点[7]：

1.1 NPC三电平逆变器能够很好的解决电力电子开关耐压不够高的问题。由于每相输出电压在■-0或者■-0之间，器件承受的关断电压只有直流回路电压的一半，器件受到的电压应力小，系统可靠性有所提高；

1.2 三电平逆变器输出电压电平数增加后，各级电平间的幅值变化降低，低的dv/dt对电路的干扰小，电磁干扰降低，在开关频率附近的谐波幅值也小得多；

1.3 由于三电平逆变器输出为三电平阶梯波，形状更接近正弦。在同样的开关频率下，谐波比两电平要低得多；

1.4 在同样的直流电压Vdc下，三电平拓扑使用的开关数目并不比两电平逆变器多。

其中逆变电路如图1所示

图1 三电平逆变电路图

其工作原理通过驱动IGBT的导通关断来实现所需要的电压。本实验采用电机30KW，IGBT选用西门子公司生产的BSM 150 GB 120 DN2两单元模块。IGBT的驱动是其中的关键之一。

2 驱动模块简介

本三电平驱动电路使用SKYPERTM32驱动内核，该模块是Semikron公司推出的基于半桥电路的IGBT驱动模块，它包含了所有驱动功能，并简化了门级驱动电路。有两路输出通道，具有欠电压，短路保护。驱动电流可达15A。

2.1 驱动电源

驱动电源要求15V，精度15V±4%。由于驱动板每个通道功率裕量不超过5W，实际使用12个IGBT，实际驱动电源使用15V±3%，额定电流13A，电源精度和功率都满足要求。

2.2 驱动能力

由于IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，它是一种场控器件。其开通和关断是由于栅极和发射极间的电压uge决定的，当uge为正且大于开启电压时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。当栅极与射极间施加反向电压时，MOSFET内沟道消失，晶闸管的基极电力被切断，是IGBT关断。由于IGBT驱动原理相当于给门级输入电容一个充电的过程，所以其开关速度和输入电容有很大的关系。驱动板最大输出开关频率为fmax=IoutAVmax/QGE，其中IoutAVmax为最大输出平均电流，QGE为被驱动的IGBT所需要的栅极电荷，可根据IGBT参数中的中输入电容Ciss计算，QGE=■Ciss？驻u2（根据驱动板情况？驻u=22V）。

2.3 欠压保护

2.3.1 欠电压复位

可以把PRIM_nPWRFAIL_IN管脚当作复位功能管脚和电源相接。若电源复位，该管脚被输入低电平，驱动被复位。当电源电压恢复正常，驱动回复正常准备好状态。

2.3.2 低电压保护

如果门级驱动电压过低则可能导致IGBT将不再完全受控。因为门级电压比较低，IGBT可能工作在线性区，通流能力降低，损耗大，可能导致发生过热过载。如果内部驱动内部监测到供电电压小于13.5V，驱动发出关断信号，关断IGBT，输入侧脉冲无效，同时错误信号置位。

若驱动板二次侧下降，驱动输出信号，关断IGBT，输入侧脉冲无效，无错误信号输出。

2.4 电压隔离

由于驱动内部试使用了隔离变压器，脉冲输出是不共地的，得到了隔离脉冲。不再需要外部电源的隔离。

2.5 短脉冲抑制

短脉冲抑制可以抑制脉宽小于625ns以下的干扰错误信号，防止其导致IGBT误导通，提高抗干扰能力。只有脉宽大于750ns的开关信号才有效，介于二者之间的开关信号可能有效或被抑制，其原理如图所示。

图2 短脉冲抑制原理图

2.6 死区时间设置

死区时间设置可防止上下桥壁同时导通导致直通短路。该驱动板可用PRIM_CFG_TDT1_IN1，PRIM_CFG_TDT1_IN2，PRIM_CFG_T

DT1_IN3，PRIM_CFG_SELECT_IN四个管脚设置不同的死区时间，死区时间表如下，其中GND为接地，open为不接。

表1 死区时间表

2.7 动态短路保护

动态短路保护可以监测IGBT开通后集射极电压，在经过一定的时间后（Tbl，由外部电路可设置）后将VCE和外部可调的参考电压VCESTAT相比较，一旦监测到的电压大于参考电压，立刻关断该路的输出，并将故障信号传送至原边的故障存储区，记录故障。并且封锁后续的开通信号。其中消隐时间和参考电压设置可分别由电容Cce和Rce来设置，其中消隐时间设置公式为

门槛电压设置公式为 。

其中消隐时间应根据实际IGBT导通特性设置，Tbl>IGBT电压下降到饱和状态压降。门槛电压应大于IGBT饱和压降。其可能出现的错误情况有以见图3下几种。

2.8 软关断

在短路情况下，IGBT会被强制关断，du/dt过大，可能导致IGBT损坏。设置软关断，相当于在对门级关断电阻串联了电阻，可以使关断速度减慢，比正常情况下关断时间增大。

2.9 输出

驱动模块的输出级采用MOSFET晶体管，MOSFET的源级与外部端子连接，通过串联的开通或关断电阻（RON或ROFF）分别天界IGBT的开通和关断时间。该电路设计的优点是能针对开通过电流，关断过电压及短路时的不同情况采取单独的开通和关断优化处理。门级-射极电阻可防止电容非正常充电。电阻值的选取受直流母线电压的影响、电路寄生电感、开关频率及IGBT型号等因素的影响。

3 应用

本实验为三电平变频器，和一般两点平有所不同。电机功率为33KW每个驱动板为可输出两路驱动信号，此次实验用六个驱动板，共输出12路脉冲。驱动电路如图4所示。IGBT选用西门子公司生产的BSM 150 GB 120 DN2两单元模块。其参数Vsat为2.7V，开通时间为600ns，设置参考电压Vref为5.5V，消隐时间为5.1us，根据计算公式选取电阻Rce18K，Cce330uf。开通和关断电阻都选用5.6？赘，由于开关频率一般不到10K，电阻功率选择为1W已经绰绰有余。

图4 驱动电路的应用图

4 结论

本文针对三电平变频器的优点作了概述，并在实验的基础上对驱动板的使用做了详细的介绍，并对驱动板中一些参数的计算和元件的选取做了说明。

参考文献

[1]赵彦威.基于可变电抗器技术的智能型固态软起动器的研究[J].武汉：武汉理工大学，2006.1-2.

[2]秦曾煌.电工学[M].北京：高等教育出版社，2002.

[3]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4]李忠臣，安继民，陈民，等.基于开关变压器技术的中压（3～10kV）.

[5]电机软启动装置[J].电气传动，2003，33（1）：22-24.

[6]林国艳.异步电动机软起动器的研究[D].大连：大连理工大学，2006.4-5.

[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]黄邵刚，黄华高，季国瑜.基于Matlab的异步电机软起动过程的仿真[J].计算机仿真，2003，20（7）：101-104.

[9]洪乃刚等.电力电子和电力拖动控制系统的Matlab仿真[M].北京：机械工业出版社，2006.

作者简介：黄钊：1987.8，性别：男，民族：汉，籍贯：皖砀山，学历：本科，职称：助理工程师，研究方向：自动化。