TNPC型并網(wǎng)逆變器嵌位開(kāi)關(guān)管失效分析與改進(jìn)

張海明 楊圣

（1.合肥同智機(jī)電控制技術(shù)有限公司電源研究部 安徽省合肥市 230088）

（2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系 安徽省合肥市 230027）

近年來(lái)，分布式光伏呈現(xiàn)出爆發(fā)式增長(zhǎng)，國(guó)家十三五規(guī)劃中，分布式光伏發(fā)電的裝機(jī)量將超過(guò)60GW。在分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)中，光伏逆變器的性能關(guān)系到整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的性能，無(wú)變壓器非隔離型三電平光伏并網(wǎng)逆變器因?yàn)槠涞椭C波畸變率、低器件承受壓降、結(jié)構(gòu)控制相對(duì)簡(jiǎn)單和低成本等優(yōu)勢(shì)，在分布式系統(tǒng)中已經(jīng)得到了廣泛的使用[1～3]。光伏逆變器是分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的核心器件，其可靠性對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性至關(guān)重要。研究逆變器的失效形式對(duì)光伏系統(tǒng)具有重要的意義。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料中，針對(duì)逆變器的失效性有大量的研究，文獻(xiàn)[4]研究了NPC 型三電平逆變器在正常運(yùn)行、并網(wǎng)待機(jī)及故障停機(jī)三種典型工況下的內(nèi)外管不均壓?jiǎn)栴}，闡述了每種情況下不平衡現(xiàn)象

的產(chǎn)生的機(jī)理，指出回路雜散參數(shù)、內(nèi)外管結(jié)電容充放電電流不對(duì)稱、等效回路LC振蕩是造成不均壓的主要原因；盡管分析的比較多，但是對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的主要失效模式分析不夠透徹，所建立的電容模型沒(méi)有加上二極管的影響，所以分析不夠充分。文獻(xiàn)[5]研究了中點(diǎn)箝位型三電平變換器系統(tǒng)安全工作區(qū)的刻畫(huà)及應(yīng)用，基于器件的安全工作區(qū),綜合考慮了變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、直流母線雜散參數(shù)、控制系統(tǒng)的延遲以及溫度等因素,推導(dǎo)出了變換器系統(tǒng)安全工作區(qū)(SSOA)的數(shù)學(xué)模型。文獻(xiàn)[6]分析了單相T型三電平逆變器的工作原理和調(diào)制控制策略，搭建了損耗模型并研究了電路中各個(gè)器件的損耗分布，搭建了4kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)平臺(tái)，給出了并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括并網(wǎng)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)波形、效率等。文獻(xiàn)[7]以T字型三電平拓?fù)錇榍腥朦c(diǎn),研究IGBT的瞬態(tài)行為,從而為提升系統(tǒng)可靠性及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)做出理論及實(shí)證支持。盡管以上文獻(xiàn)對(duì)三電平模塊均有研究，但是對(duì)于TNPC型逆變器的失效卻研究較少。

本文根據(jù)逆變器常見(jiàn)T字型模塊的炸機(jī)現(xiàn)象，分析模塊的失效模式，通過(guò)對(duì)模塊的測(cè)試發(fā)現(xiàn)了過(guò)壓現(xiàn)象，并通過(guò)模型分析出產(chǎn)生過(guò)壓的原因，并提出了一種簡(jiǎn)單的解決方案，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性和所提方案的可能性。

1 TNPC模塊常見(jiàn)的失效現(xiàn)象

在分布式項(xiàng)目中，逆變器失效模式主要是模塊故障，而主流組串式并網(wǎng)逆變器均為T(mén)字型三電平逆變拓?fù)?，以常用的模塊M260為例，半橋IGBT(以下簡(jiǎn)稱T1管與T4管)為耐壓1200V的開(kāi)關(guān)管，而嵌位開(kāi)關(guān)管(以下簡(jiǎn)稱T2管與T3管)為了追求高效率，選擇的IGBT耐壓值為600V。

對(duì)大量逆變器的炸機(jī)模塊進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)T字型模塊的損壞通常是上橋臂或下橋臂直通導(dǎo)致的過(guò)流炸機(jī)。由于死區(qū)時(shí)間的控制，模塊上下管直通導(dǎo)致炸機(jī)的可能性相對(duì)比較?。K直通通常不會(huì)造成T2和T3管的損壞）。

對(duì)于T字型三電平并網(wǎng)逆變器最常見(jiàn)的模塊失效就是T2與T3管的失效。

失效的為T(mén)3管的并聯(lián)二極管，經(jīng)過(guò)與模塊生產(chǎn)廠家共同分析，判定失效的原因?yàn)檫^(guò)壓失效。

這種過(guò)壓導(dǎo)致的T2或T3損壞，一旦逆變器并網(wǎng)運(yùn)行，就會(huì)導(dǎo)致半橋臂直通而過(guò)流炸機(jī)，甚至導(dǎo)致逆變器的燒毀，嚴(yán)重的情況會(huì)導(dǎo)致人身安全和分布式發(fā)電系統(tǒng)的停機(jī)脫網(wǎng)。

針對(duì)模塊T2和T3管過(guò)壓失效的原因，對(duì)現(xiàn)有逆變器的T2和T3管進(jìn)行了大量的測(cè)試，大部分機(jī)器的電壓波形均正常，但是有少量逆變器在繼電器吸合后和PWM脈沖發(fā)出之前的時(shí)間段，確實(shí)有過(guò)壓情況。

在逆變器吸合后，系統(tǒng)會(huì)有1～2秒的待機(jī)時(shí)間，該待機(jī)時(shí)間主要是對(duì)繼電器進(jìn)行自檢，對(duì)并網(wǎng)條件進(jìn)行檢測(cè)，該待機(jī)時(shí)間內(nèi)，逆變器的四個(gè)開(kāi)關(guān)管均處于關(guān)斷狀態(tài)。理論上，所有逆變器的T2和T3管兩端的電壓值均為電網(wǎng)的半波，但實(shí)際中，卻有少數(shù)機(jī)器逆變器的T2和T3管兩端電壓不盡相同，且有部分電壓超過(guò)了耐壓值。

2 TNPC模塊二三管過(guò)壓分析

對(duì)現(xiàn)有逆變器中的T字型三電平拓?fù)溥M(jìn)行分析，逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，當(dāng)四個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T1、T2、T3及T4均處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電網(wǎng)電壓VG通過(guò)兩個(gè)電感L1和L2加到a點(diǎn)與n點(diǎn)之間。

在實(shí)際情況中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T2的結(jié)電容C2與半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T3的結(jié)電容C3必然會(huì)存在偏差，假設(shè)結(jié)電容C2的容量大于C3，n點(diǎn)電壓為0，在電網(wǎng)電壓VG負(fù)半周的下降沿時(shí)，二極管D2截止，D3導(dǎo)通，結(jié)電容C2處于充電狀態(tài)，b點(diǎn)電壓小于零，并逐漸減小，最大會(huì)嵌位到負(fù)半周的最低點(diǎn)，由于結(jié)電容C2的容量大于C3，串聯(lián)電路中流過(guò)結(jié)電容C2與C3的電量相同，結(jié)電容C3上的電壓變化就大于C2上的電壓變化，b點(diǎn)電位被充電到谷底后，通過(guò)結(jié)電容C3充電，結(jié)電容C3正電壓變化到峰值后，不足以使b點(diǎn)電位回到正電位，b點(diǎn)一直處于負(fù)電平狀態(tài)，這樣就會(huì)出現(xiàn)ab兩點(diǎn)壓降大于an兩點(diǎn)壓降，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T3管出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象。假設(shè)極限情況下，即結(jié)電容C3的量為零時(shí)，C2沒(méi)有了放電回路，b點(diǎn)電平會(huì)一直停在電網(wǎng)電壓的谷底，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T2壓降為負(fù)的電網(wǎng)峰值電壓，T3兩端的電壓就為正偏置的正弦波。

圖1：逆變器的拓?fù)浜?jiǎn)圖

圖2：現(xiàn)有模塊仿真結(jié)果

圖3：增加放電電阻后的仿真結(jié)果

圖4：增加均壓模塊后T3管并網(wǎng)前后的電壓波形

在380Vac電網(wǎng)中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T3兩端電壓值會(huì)達(dá)到650V（電網(wǎng)峰峰值），部分分布式540Vac電網(wǎng)中，這個(gè)值會(huì)達(dá)到783V（電網(wǎng)峰峰值）。230V電網(wǎng)系統(tǒng)中，極限條件下不容易出現(xiàn)，而在277V的電網(wǎng)系統(tǒng)中，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T2與T3現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)再用600V耐壓管而不采取措施就會(huì)產(chǎn)生過(guò)壓。尤其當(dāng)機(jī)器運(yùn)行一段時(shí)間后，半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)管T2與T3的結(jié)電容容量的偏差會(huì)很大，降低了系統(tǒng)的可靠性。

實(shí)際情況中，T2與T3的結(jié)電容必然會(huì)有所偏差，就會(huì)出現(xiàn)上述現(xiàn)象，甚至機(jī)器運(yùn)行一段時(shí)間后，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管的結(jié)電容容量偏差很大的情況下，系統(tǒng)就顯得很不可靠。

3 解決過(guò)壓失效的新方案

由于結(jié)電容偏差導(dǎo)致的過(guò)壓?jiǎn)栴}，可以通過(guò)多種方式解決，如增加開(kāi)關(guān)管的耐壓值，將耐壓值提高至900V，也可以滿足光伏分布式系統(tǒng)的要求，但是，在增加開(kāi)關(guān)管電壓的同時(shí)，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通電阻會(huì)增加導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗均會(huì)增加，這將引起效率的降低，會(huì)帶來(lái)一定的不好的效果，且對(duì)已經(jīng)存量系統(tǒng)中的升級(jí)代價(jià)太大。

本文提出在T2與T3兩管上并聯(lián)均壓模塊，以平衡寄生電容偏差帶來(lái)的影響，利用均壓模塊進(jìn)行均壓和相位調(diào)整，使T2與T3即使結(jié)電容存在偏差甚至相差很大的情況下，兩管關(guān)斷時(shí)也不存在某一管過(guò)壓的問(wèn)題，以解決現(xiàn)有技術(shù)中可靠性低的問(wèn)題。

在該系統(tǒng)方案中，均壓模塊可以有多種多樣；首先、最簡(jiǎn)單的形式就是阻值在1～10MΩ的電阻，阻值不可太高也不可太低，太高的情況下，放電不完全，也會(huì)有電壓偏差，阻值太低的情況下，放電功率太大，會(huì)帶來(lái)?yè)p耗的問(wèn)題；其次，可以通過(guò)增加RC電路的形式，平衡結(jié)電容的偏差，使兩管相對(duì)均壓。

無(wú)論哪種形式，方案均具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）在T2與T3兩管上并聯(lián)放電電路，解決了兩管均關(guān)斷的情況下，電網(wǎng)電壓變化引起兩管耐壓不同。

（2）并聯(lián)放電電路后，T2與T3兩管可以使用600V的開(kāi)關(guān)管，耐壓值不會(huì)超過(guò)開(kāi)關(guān)管要求值，在不犧牲效率的情況下，系統(tǒng)變得更加可靠。

4 仿真模擬和均壓模塊的設(shè)計(jì)

Ltspice是一種功能強(qiáng)大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真軟件，它可以進(jìn)行各種各樣的電路仿真并給出波形輸出和數(shù)據(jù)輸出，無(wú)論對(duì)哪種器件和哪種電路進(jìn)行仿真，均可以得到精確的仿真結(jié)果。

本文利用LtSPICE軟件對(duì)電路進(jìn)行建模復(fù)現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象，再根據(jù)所提出的均壓方案選擇均壓模塊的均壓電阻。

根據(jù)M260模塊規(guī)格參數(shù)，二三管寄生電容的值為4.62nF，并模擬電網(wǎng)的系統(tǒng)參數(shù)和逆變器的工作環(huán)境，直流輸入電壓600V，交流電壓277V，建立系統(tǒng)的模型，在繼電器吸合后，逆變器發(fā)出PWM脈沖之前的電壓波形，仿真結(jié)果如圖2所示。

從圖2的仿真結(jié)果看，當(dāng)二管的結(jié)電容為標(biāo)稱額定值4.62nF，而三管的結(jié)電容假設(shè)為0V，此時(shí)，電網(wǎng)電壓全部加在T3管的兩端，電壓值達(dá)到了650V，超過(guò)了600V的耐壓值，仿真結(jié)果與理論分析以及測(cè)試數(shù)據(jù)十分接近，過(guò)壓現(xiàn)象十分明顯。

在復(fù)現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，在T2和T3管上并聯(lián)放電電阻R1和R2，阻值均為1MΩ，進(jìn)行仿真后，仿真結(jié)果如圖3所示。

從仿真結(jié)果可以看出，增加1MΩ的電阻后，T3管的電壓降到了330V以內(nèi)，且T2與T3管均壓了。

通過(guò)以上仿真可以知道，T2與T3管并聯(lián)放電電阻后，在系統(tǒng)待機(jī)情況下，T2與T3管實(shí)現(xiàn)了均壓，開(kāi)關(guān)管工作在安全范圍內(nèi)，電阻的均壓效果非常好。

5 電路的搭建與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的測(cè)試

根據(jù)仿真結(jié)果，選擇元器件，并應(yīng)用于有過(guò)壓?jiǎn)栴}三電平逆變器的逆變模塊上，實(shí)際的M260模塊安裝于PCB板下方，緊貼散熱器進(jìn)行散熱。

在T2與T3管并聯(lián)放電電阻后，再對(duì)T3管兩端的電壓波形進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

由圖4中可以看出，在系統(tǒng)待機(jī)自檢階段，四只開(kāi)關(guān)管關(guān)斷情況下，T3管的電壓最大值只有415V，處于耐壓600V開(kāi)關(guān)管的安全范圍。

由上述結(jié)果可以看出，通過(guò)在具有結(jié)電容偏差的T2與T3管并聯(lián)均壓電阻，兩管在系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間段可以保持電壓相等，不會(huì)出現(xiàn)過(guò)壓現(xiàn)象，使系統(tǒng)更加安全可靠。

6 小結(jié)

本文根據(jù)分布式光伏逆變器中，常見(jiàn)的逆變器T2與T3管的故障問(wèn)題，在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)了少數(shù)逆變器在待機(jī)過(guò)程中有過(guò)壓的現(xiàn)象，對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)是由于結(jié)電容的偏差引起的，因此提出了增加均壓模塊的解決方案；通過(guò)LtSPICE仿真軟件復(fù)現(xiàn)了過(guò)壓現(xiàn)象，并進(jìn)行了均壓模塊的設(shè)計(jì)；最后通過(guò)實(shí)際電路的驗(yàn)證，解決了因?yàn)門(mén)2與T3管結(jié)電容偏差而導(dǎo)致的過(guò)壓?jiǎn)栴}，在不降低系統(tǒng)效率的情況下，提高了系統(tǒng)的可靠性。