双脉冲测试方法在中点钳位三电平逆变器中的应用研究

孟庆云 马伟明 孙 驰 王俊炎 艾 胜

（海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室 武汉 430033）

1 引言

二极管中点钳位（NPC）型三电平逆变电路具有诸多优越的系统性能，被广泛应用于工业生产、机车牵引及多相电机驱动等大容量场合[1]。在NPC三电平逆变器的研制过程中需要对电路进行必要的测试，以掌握功率器件（如 IGBT和快恢二极管）的瞬态特性以及吸收电路的工作性能与吸收效果。对于传统的两电平逆变电路，通常是采用斩波电路和双脉冲方式可以很好地对功率器件的瞬态开关特性、短路特性、温度特性及吸收电路的设计进行测试与研究[2-3]，且已经成为两电平电路的“标准”测试方法。目前，许多文献结合NPC三电平电路的工作状态转换过程对功率器件开关特性及吸收电路设计进行了分析研究[4-8]，但仍没有形成一种简单可靠的针对NPC三电平电路的测试方法，多是以整个系统电路为实验平台且以连续脉冲形式开展测试。如文献[7]、文献[8]通过对带感应电机负载的 NPC三电平电路的测试，研究了其提出的吸收电路的性能，给出了整个系统测试的试验结果。事实上，对于功率器件及吸收电路的有效性测试应在整个逆变器实际运行工作前进行。基于系统的测试固然可以，但存在以下不足：①不能在系统研制早期发现问题，测试过程复杂且成本较高，需要多路控制信号及负载等；②存在不安全因素，尤其是在不合理设计参数下的测试将对整个系统构成危险；③测试电流不宜做的太大，且要考虑系统损耗问题，无法完成开关管的短路特性测试。

为了寻求一种简单可靠的针对 NPC三电平电路的测试方法，基于传统两电平测试思想，依据NPC三电平电路结构与控制的对称性及换流路径的对偶性，可以将两电平双脉冲测试方法扩展到半桥结构的 NPC三电平测试电路中。但在采用传统“两管动作”双脉冲测试方法研究开关特性及吸收电路设计时发现，该方法会引起内外管动态电压不均衡问题。针对这一问题，本文基于带吸收电路的半桥结构NPC三电平测试电路，结合器件特性及外围吸收电路的影响，详细分析了传统双脉冲测试中电压不均衡现象的原因，提示了内外管电压不均衡现象产生的电路机理。提出一种三管动作双脉冲方法解决了传统双脉冲测试中的内外管动态电压不均衡的问题。该方法充分考虑了NPC三电平电路模态转换过程和开关管的死区时间，已经很好地应用于NPC三电平电路的测试中[11,14]。实验与仿真结果证明了理论分析的正确性以及所提测试方法的合理性。

2 传统双脉冲测试动态电压不均衡问题分析

2.1 测试电路与两管动作双脉冲方式

根据NPC三电平电路结构的对称性，以半桥电路作为基本的测试电路。为防止功率器件过压，测试电路通常需要加装吸收电路，本文以两种不同吸收形式的半桥NPC三电平电路作为研究对象：纯C吸收和2RCD吸收[13]，如图1所示。测试时需要完成电路中所有功率开关瞬态特性及吸收电路性能和效果的测试。事实上，根据NPC三电平电路结构与控制上的对称性以及换流回路的对偶性[9]，对于NPC三电平电路的测试，只要考虑以 VT1、VT2为动作开关，根据状态转换过程完成VT1、VT2、VDcl1、VD3、VD4以及吸收电路的测试。按照NPC三电平载波 PWM和双脉冲测试的原理，并确保内管最先开通、最后关断的原则[12]，那么测试脉冲可为如图2所示的两管动作双脉冲发送方式，即对开关管VT1、VT2施加驱动信号，开关管VT3、VT4被封锁。

图1 两种不同吸收的NPC三电平测试电路Fig.1 The NPC three-level test circuit with different snubbers

图2 两管动作双脉冲方式Fig.2 The double pulse pattern with two switch action

2.2 内外管动态电压不均衡现象与分析

对于纯C吸收，假定在t1时刻前电路处于稳态，各主开关管电压见表1。

表1 各开关管初始电压值Tab.1 The initial voltages of the switches

t1时刻VT2管导通，负载电流开始上升，VT3、VT4管门极脉冲被封锁，因此它们共同承受直流母线电压Ud。假定VT3、VT4器件本身动态特性相同，阻态下流过两管的漏电流相同，那么t1时刻VT3与VT4两端电压应该承受相同的电压，即由0升至Ud。在t3时刻，VT1导通，那么VT3与 VT4两端电压应由Ud升至2Ud。事实上，由VT2导通时刻的等效电路知，钳位二极管 VDcl2与 VT3形成并联关系，加上导线连接的非对称性及器件本身特性的差异，这些都会引起VT3与VT4的漏电流差异，从而破坏了VT3与VT4之间的动态电压平衡关系，使VT3与VT4在开关管状态转换过程中承受不同电压。

对于2RCD吸收，假定电路上电后已经进入稳态，且各开关管电压表1所示。在t1时刻，VT2导通，那么VT3、VT4共同承受直流母线电压Ud。由于VT3门极被封锁，电容Cs2通过VT3、VDcl2以及平衡电阻Rb三者的并联等效阻断电阻充电，因此对于电容Cs2其时间常数τCs2为

式中Roff——VT3、VDcl2并联等效阻断电阻。

那么VT4上的电压为

VT3处于阻态时，其等效电阻将达到数兆欧级以上，使得时间常数τCs2相对于开关管的导通时间来说要大得多，因此由式（2）知电容Cs2两端电压上升较慢，从而使 VT3在t1～t3之间承受了比 VT4较大的母线电压。在t3时刻，VT1开通，Cs1放电。当Cs1放电完毕后，VT1两端电压为0，这时VT3、VT4两端电压总电压为 2Ud。由于 VT3仍为封锁状态，同前面的分析，此时整个母线电压大部分施加在 VT3两端。由式（1）与式（2）易知，随着Roff和Cs2的增加，VT3与 VT4间的电压不均衡度将会增加。同时，加上由钳位二极管 VDcl1在t3或t9时刻引起的反向恢复电压[14]，将会使VT3的最高电压尖峰超过器件最大安全工作区，可能造成其失效而损坏。

通过以上分析可知，传统的两管动作双脉冲方式在 NPC三电平电路测试中产生内外管动态电压不均衡问题。其原因是，在VT1、VT2状态转换时，由于VT3被“封锁”，加之NPC三电平特殊的电路结构及外围吸收电路的影响，使 VT3、VT4电压状态无法正常配置而造成的。

为解决状态转换过程中引起的内外管动态电压不均衡问题，采用一种三管动作双脉冲发送方式[11]，如图3所示。该方式使VT3参与动作，提前配置了VT4的工作状态，并考虑了 VT1与 VT3之间的死区作用。另外由于VT4的动作并不影响电路状态的转换过程，因此可以使VT4门极信号在整个测试中处于封锁状态。

图3 三管动作双脉冲发送方式Fig.3 The double pulse pattern with three switch action

纯 C吸收的三电平电路如图 1a所示，当 VT2在t1时刻导通后，由于 VT3处于导通状态，那么VT4将承受母线电压Ud。t2时刻，关断 VT3，经过死区时间后在t3时刻VT1开通，那么VT3升至Ud。同理，对于2RCD吸收电路，由于VT3的参与，在t1时刻使Cs2可以通过处于通态的 VT3充电至Ud，VT4两端电压升至Ud。在t3时刻，VT1开通，其两端电压逐渐降为 0，VT3两端电压逐渐升高至Ud。因此，这种三管动作的双脉冲发送方式避免了传统双脉冲方式下的内外管动态电压不均衡的问题。另外，三管动作的双脉冲测试方法同时考虑了 VT1、VT3的死区时间，可以完整地分析各功率器件的瞬态特性以及吸收电路的的工作性能。

3 仿真分析

为了验证前面分析的正确性，采用仿真软件Saber分别对图1所示的两种不同吸收方式的NPC三电平电路在不同脉冲发送方式下的情况进行了分析。为了模拟实际电路，仿真同时考虑了线路杂散电感和二极管非理想特性对电路的影响[14]。

仿真时的电路参数为：Ud＝180V，C1=C2=10μF，CS1=CS2=1.5μF，RS1=RS2=17Ω。

为了模拟实际电路情况，仿真采用阻感性负载。利用数字电桥，提取实验时采用的一卷导线阻感值为：R=165mΩ，L=63μH。

图4给出了采用纯C吸收时不同测试脉冲方式时开关管电压的仿真波形。图5给出了采用 2RCD吸收时不同测试脉冲方式时开关管的电压仿真波形。由仿真结果可以看出，在采用两端动作双脉冲测试时，对于两种不同吸收电路中的 VT3、VT4发生了电压不平衡现象，尤其是对2RCD吸收电路，当 VT1第一次开通时，VT3几乎承受了整个母线电压。采用三管动作双脉冲后，完全消除了因VT3阻断而引起的内外管电压不平衡现象。

图4 采用纯C吸收电路时开关管电压波形Fig.4 The switch voltage waveforms with C snubber

图5 采用2RCD吸收电路时开关管电压波形Fig.5 The switch voltage waveforms with 2RCD snubber

4 实验验证

实验采用与仿真相同的电路及参数，图6为实验平台的实物照片。

图6 实验平台实物照片Fig.6 The photograph of the prototype

实验平台中采用的IGBVT模块为FZ1500R33HL3，钳位二极管为 DD1200S33K2C，吸收二极管采用DD400S33KL2C。采用的实验仪器与测试探头：TDS5054示波器；高压差分探头P5205和P5210；电流探头采用CWT15B。

为了减小换流回路的杂散电感，采用精心设计的层叠复合母排作为各开关管的连接线[15]。另外，为了防止测试过程中对开关管造成损坏，利用直流侧电容放电在低压大电流下对前面的理论与仿真分析进行了实验验证，采用一卷长导线作为负载连接于C、N点。

图7与图8分别给出纯C吸收与2RCD吸收电路时不同测试脉冲方式下的 VT3、VT4电压实验波形。由图7a可以看出，对于采用纯C吸收的NPC三电平电路，两管动作双脉冲方式下VT3电压达到226V，超过母线电压的25%之多，而VT4电压相对较低。同时，由图8a知，采用2RCD吸收电路时由于Cs2无充电路径造成了VT3、VT4更为严重的电压不均衡现象，使VT3电压达到332V，几乎达到整个母线电压（360V）。而VT3最高电压尖峰达到436V（杂散电感引起的电压及钳位二极管 VDcl1反向恢复电压），当直流母线电压较高时就可能造成 VT3过电压。

图7 采用纯C吸收时开关管VT3、VT4电压实验波形Fig.7 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with C snubber

图8 采用2RCD吸收电路开关管VT3、VT4电压实验波形Fig.8 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with 2RCD snubber

由图7b和图8b可以看出，采用三管动作双脉冲测试，当工作状态转换时 VT3、VT4的电压都达到了正常值，完全消除了内外管电压不均衡的现象，从而可以很好地分析各功率器件的瞬态开关特性以及吸收电路的工作性能。因此实验波形进一步证明了理论分析与仿真的正确性以及三管动作双脉冲测试方法在NPC三电平电路测试中的合理性。

事实上，对于NPC三电平其他吸收电路，如文献[5]中的3RCD吸收电路，文献[7]中的LRD型吸收电路等，在两管动作双脉冲下同样存在内外动态电压不均衡的现象，限于篇幅，本文给出在不同脉冲方式下采用 3RCD吸收电路时的 VT3、VT4电压实验波形，如图9所示。另外，当将图1测试电路中的负载连接于C与O点时，在两管动作双脉冲下存在与负载接N点同样的情况。由于负载连接点的不同，电压不均衡现象发生在 VT1、VT2第二次导通时刻，这里给出一组采用2RCD吸收电路在两管动作双脉冲方式下实验时引起VT3过电压的实验波形如图 10所示，由实验波形知当 VT1第二次导通时VT3的电压尖峰已达3 500V，实际上已经超过了器件所承受的峰值电压（3 300V）。

图9 采用3RCD吸收电路开关管VT3、VT4电压实验波形Fig.9 The experimental voltage waveforms of VT3 and VT4 with 3RCD snubber

图10 负载接O点两管动作双脉冲方式VT3过电压实验波形Fig.10 The over-voltage waveform of VT3 under the load linked to point O with two switch action double pulse

5 结论

传统两管动作双脉冲方式在 NPC三电平电路测试中会引起内外管动态电压不均衡问题，基于半桥结构的NPC三电平测试电路，分析了不同吸收电路时状态转换过程中电压不均衡产生机理。采用一种三管动作双脉冲测试方法，使内外管电压得到了很好的配置，解决了内外管电压不均衡的问题。仿真与实验验证了理论分析的正确性和所提测试方法的合理性。因此，得出以下结论：

（1）由于 NPC三电平电路结构的特殊性，使传统两管动作双脉冲测试方法引起内外管电压不均衡问题，尤其在外管并联电容型吸收电路时往往造成VT3管严重的过压问题，因此不适合应用于NPC三电平电路的测试。

（2）三管动作双脉冲测试方法完全消除了传统测试方法状态转换过程中内外管动态电压不均衡的现象。相对于两管动作测试方法，该方法可以更加完备的分析 NPC三电平电路中各功率器件的瞬态特性以及吸收电路的的工作性能，其测试时刻及对应被测试功率器件特性见表2。

（3）本文所提的测试电路及三管动作双脉冲方式可以作为 NPC三电平电路测试的一种通用测试方法，能很好的应用于NPC三电平电路的测试。该方法具有简单、快捷、可靠等优点，是评估系统性能最直接有效的手段，对于分析NPC三电平电路中 IGBT与二极管的瞬态特性、吸收电路的选择与参数设计具有较强的工程指导价值。

表2 被测时刻及对应被测功率器件特性Tab.2 The corresponding characteristic of the device under the test

[1] Corzine K A. Operation and design of multilevel inverters, developed for the office of naval research[M/OL]//December 2003, http://nerc.aticorp.org-/papers/inverters.pdf.

[2] Barlini D, Ciappa M, Castellazzi A, et al. New technique for the measurement of the static and of the transient junction temperature in IGBT devices under operating conditions[J]. Microelectronics Reliability,2006(46): 1772-1777.

[3] 李毅，魏宇洁. 功率模块应用手册[M]. 香港：赛米控国际公司，2003.

[4] 陈扬飞, 何礼高. 三电平逆变器缓冲电路内外电压不平衡分析及改进[J]. 电机与控制学报, 2006,10(2): 182-186.

Chen Yangfei, He Ligao. Analysis on unbalance voltages between inner and outer snubber c ircuits and improvement of three-level inverter[J]. Electric Machines and Control, 2006, (10)2: 182-186.

[5] 赵正毅, 魏念荣, 赵良炳. 一般缓冲电路的模型及三电平 IGBT变流器内外元件电压不平衡机理[J].中国电机工程学报, 2000, 20(6): 30-34.

Zhao Zhengyi, Wei Nianrong, Zhao Liangbing.Modeling for general snubber circuits and the reason for voltage unbalance between the niner and outer devices in three level IGBT converters[J].Proceedings of the CSEE, 2000, 20(6): 30-34.

[6] Sung J H, Nam K. A simple snubber configuration for three-level GTO inverter[J]. IEEE Transactions on Industry. Applications, 1999, 14(2): 246-257.

[7] JaeHun J, TaekKie L, DongSuk H. An improved snubber circuit with high efficiency and overvoltage clamping in three-level inverters[J]. Proceedings of the IEEE 22nd International Conference on Industry Electronics, Control, and Instrumentation 1996(31):1790-1795.

[8] InD K, EulC N, A new snubber circuit for multilevel inverter and converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997, 44(2): 145-156.

[9] Tian Y, Ke J, Qi R J. An improved mcmurry snubber for three-level NPC IGBT converter[C]. The 8th International Power Engineering Conference, 2007:666-671.

[10] Yuan Liqiang, Zhao Zhengming, et al. The IGCT test platform for voltage source inverters[C]. The 5th International Conference on Power Electronics and Drive Systems, 2003: 1291-1294.

[11] 王俊炎, 孙驰, 胡安, 等. 一种三电平IGBT逆变器吸收电路的研究[J]. 船电技术, 2010(4): 1-6.

Wang Junyan, Sun Chi, Hu An et al. Research on a snubber circuit for three-level IGBT inverter[J].Marine Electric & Electronic Technology, 2010(4):1-6.

[12] Bendre A, Aristi S. Three-level converter system[J].IEEE Industry Applications Magzine, 2009: 12-23.

[13] 赵正毅, 杨潮, 赵良炳. 对三电平IGBT变流器两种缓冲电路的研究[J]. 中国电机工程学报, 2000,20(12): 42-46.

Zhao Zhengyi, Yang Chao, Zhao Liangbing. Research on two snubbers for three-level IGBT converters[J].Proceedings of the CSEE, 2000, 20(12): 42-46.

[14] 孟庆云, 马伟明, 孙驰, 等. 考虑二极管非理想特性的中点钳位三电平电路的分析[J]. 电工技术学报，2010，25(6)：40-46.

Meng Qingyun, Ma Weiming, Sun Chi, et al The NPC three-level circuit considering nonideal characteristic of diode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2010, 25(6): 40-46.

[15] Lounis Z, Rasoanarivo I, Davat B. Minimization of wiring inductance in high power IGBT inverter[J].IEEE Transactions. on Power Delivery, 2000, 15(2):551-555.