三相全桥逆变器的并联均流设计

张新民，赵影



三相全桥逆变器的并联均流设计

张新民，赵影

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

通过多台小功率的三桥全桥逆变器的并联是实现变频器大容量输出的有效方式。通过并联可实现电力电子变换装置的模块化，易维修，N+1冗余，可靠性及系列化。由于IGBT器件本身参数、驱动回路参数、散热装置参数的差异，导致IGBT并联时电流不均衡。本文分析了带输出电抗器均流的三相三相全桥逆变器的并联均流特性，设计了输出电抗器参数，给出了仿真和试验结果，试验结果表明了对并联特性分析的合理性及有效性。

全桥逆变器 并联 输出电抗器

0 引言

当前电力电子变换装置通过多种方式实现大容量输出，包括采用功率器件的串联[1]，并联[2]，多电平拓扑[3]，或者采用功率单元级联等方式。当前，在船舶电力推进，铁路机车，石油，化工等领域对大容量变频装置的需求强烈，虽然各器件生产厂家对高电压电流等级器件研制不断升级，依靠模块化，小容量电力变换装置的并联依然是实现大容量电力变换装置的有效方式，可以实现系列化设计，降低研制成本，N+1冗余，易于维修及高可靠性等。

本文研究的全桥逆变器的并联基于器件级的并联，通过在桥臂输出端配置适当大小的电感来实现大容量输出。

1 并联系统特性分析

如图1所示为多个逆变桥并联后驱动三相电机的示意图。个三相全桥逆变组件通过输出电抗器并联后驱动电机，并联的逆变器共用同一直流母线。1，2，n表示DSP发出的脉冲信号经并联板分配后给予各个逆变组件的控制信号。

当不连接输出电抗器时，逆变器的并联等同于个器件并联的三相桥式逆变器，由于器件参数及驱动的分散性，各个器件的电流差异较大，如图2所示为2个单相桥臂不带输出电抗器并联的仿真波形，两组并联单元的驱动脉冲延时为150 ns，直流母线电压为1100 V。从图2可以看出当不加输出电抗器时，两个并联管子的电流不均衡程度大，管子的电流不均衡度达到12.2%，IGBT需要降额使用。

对图1所示的并联三相桥式电路进行简化，如图3所示，V、V、V表示n#逆变器三相桥臂输出PWM电压，假设输出电抗器串入每个并联支路的电感值相等，不失一般性，对A相电路进行简化分析如图4所示，由于逆变器带电机负载，电机负载的电流近似为正弦，将A相电流用正弦电流源来表示。

定义每个逆变器的相阻抗

则A相电路的等效戴维南阻抗为

公共连接点电压

对电流I求导可得

显然，并联支路的等效阻抗增大时，支路间的电流不平衡对阻抗差异的依赖减小，增大阻抗Z的方法有：增大并联支路阻性成分，但影响直流电压利用率；增大并联支路感性成分，阻性成分极小。本文采用后者来实现对支路间电流的均衡。

由于器件自身参数差异，及驱动单元CU的延时差异，使得桥臂输出电压V存在差异，考虑两个逆变器并联的情况，有

显然当支路参数差异很小时上式可简化为

可见当负载电流增大时，电流不平衡与总负载电流的比值减小，不平衡度降低。由式（8）可得到输出电抗器的最小值

V为直流母线最大值，⊿为脉冲延迟最大值，为最大允许电流差，为基波电流角频率。

2 并联均流仿真

每相并联支路的分析可单独进行。在Saber软件中，搭建单相并联仿真电路，对脉冲延迟，输出电抗不同取值对并联电流不均衡度的影响进行仿真，得到电流不平衡度随延迟时间及输出电抗器电感值的变化关系如图5所示。由不平衡度曲面知道，关断脉冲延迟比开通脉冲延迟对电流不平衡的影响更大。对于给定的不均衡度指标，在脉冲延迟给定范围下，输出电抗器电感有一最小值，只要选取的电感超过最小值，均衡度指标便可达到。

3 并联实验

搭建2个三相组件并联的试验平台，直流母线电压650 V，输出电抗器取值为13.5 μH，输出阻感负载值选为L=0.15 mH，R=1/6W。

并联板及光纤板位于1#逆变器侧，并联板将光纤板传送的PWM脉冲分为两路送给1#及2#逆变器的驱动板，1#逆变器的并联板与驱动板直接通过端子排相连，1#逆变器的并联板通过40 cm排线送给2#逆变器的驱动板。

实验中测得A相上管的V波形如图6所示。1#逆变器V开通关断波形均超前于2#逆变器，且关断脉冲延迟的程度大于开通脉冲，使得1#逆变器的电流大于2#逆变器，相应的并联实验数据如表1所示。

从并联实验数据表格中可以看出，A、B、C三相并联电流不均衡度在小电流时差异较大，在电流增大时减小，原因一方面由于铁芯电抗器在电流较大时电感值增大，使电流差异减小，另一方面由于IGBT的正温度系数，在电流增大导致结温升高的同时，IGBT的压降增大，使得流过IGBT的电流减小，起到自动均流作用，因此，在电流达到额定工作点附近，电流的不均衡度较小，控制在7%以内，满足对并联均流指标的要求。

表1 并联实验数据表格

4 结论

本文分析了带输出电抗器的逆变器并流特性，指出逆变器并联支路的输出电流对阻抗的敏感度随着支路阻抗的增大而减小。可采用增大支路感性成分，减小阻性成分的方式来平衡并联支路电流。通过对影响并联电流不均衡度的因素的分析，得到了电流不平衡度随延迟时间及输出电抗器电感值的关系曲面，作为并联不均衡度设计的依据。通过两个三相桥组件的并联试验，电流的不均衡度控制在7%以内，验证了电抗器均流的有效性。

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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

张新民(1987-),男，硕士。研究方向:电力电子技术。