[發明專利]一種變換器的控制裝置及驅動方法

有效

• 申請號: 200610073776.1
• 申請日: 2006-04-04
• 公開（公告）號: CN101051794A
• 公開（公告）日: 2007-10-10
• 發明（設計）人: 顧錦篩;陳延鈞;劉遂明
• 申請（專利權）人: 力博特公司
• 主分類號: H02M7/48
• 分類號: H02M7/48
• 代理公司: 深圳創友專利商標代理有限公司
• 代理人: 江耀純

[技術領域]

本發明涉及變換器的控制技術領域，尤其涉及一種變換器的控制裝置及驅動方法。

[背景技術]

多電平變換器通常是采用器件串聯并結合適當的控制策略，來有效降低器件的耐壓等級，降低輸出電壓或電流諧波成份，節省濾波器的成本。鑒于其獨特的性能優勢，多電平變換器自80年代前后誕生至今，已在中壓變頻器、UPS、直直變換電源等多個領域獲得越來越廣泛的應用。

眾所周知，多器件串聯方式，控制邏輯相對復雜，而其關鍵問題是串聯器件的均壓問題。目前常用的解決方案主要有二極管中點箝位(NPC)法、飛跨電容箝位法等，尤其以二極管中點箝位法多電平逆變器在UPS、變頻器中的應用最為廣泛。

如圖1所示，為二極管中點箝位型單相三電平逆變器的主電路圖。在電路中，為了有效實現器件均壓控制，無論采用何種控制邏輯，都應保證內側功率管(圖1中S2和S3)先于外側功率管(圖1中S1和S4)開通，而后于外側功率管關斷。同時，為了防止同一橋臂出現三個功率管同時導通而引起母線短路問題，S1和S3信號之間必須設定合理的死區時間，S2和S4信號之間也必須設定合理的死區時間。

在公開技術中，圖2和圖3為三電平逆變器普遍采用的一種驅動及保護方案，其中，圖2為三電平逆變器驅動控制電路框圖，圖3為三電平逆變器功率管的驅動信號示意圖。S1和S3信號之間的死區如圖3中所示。該方案典型的特征在于：

1、保護電路的作用位置放在延時驅動電路組之后；

2、延時驅動電路組實現S1和S3信號互補，S2和S4信號互補，當S1和S3高頻調制時，S2保持常通，而S4保持常斷；當S2和S4高頻調制時，S3保持常通，而S1保持常斷；

3、功率管門極驅動參數對應一致。

該驅動方案能夠降低功率管的開關損耗，但不能徹底克服橋臂器件的不均壓問題，其原因如下：

由于保護電路信號作用位置在延時驅動電路組的后級，對二極管中點箝位型三電平逆變器而言，一旦保護信號的作用時刻發生于S1和S2(或S3和S4)都是導通的階段(如4圖中的A或B時刻)，而在實際應用中S1至S4器件參數不可能完全一致，因而器件開關速度也不可能完全一致，而且延時保護邏輯又不起作用，則S1會出現先于S2開通或后于S2關斷的現象，破壞了“S2先于S1開通而后于S1關斷”的條件，從而使得S1和S2(或S3和S4)之間承受的電壓應力嚴重不均衡，其中，內側功率管承受的電壓應力遠遠大于單邊母線電壓(E/2)，甚至承受總母線電壓(E)，喪失了三電平變換器的優勢。

內側功率管承受的電壓應力為總母線電壓(E)的機理如下：以圖1所示電路為例，當電路保護時，驅動信號被封鎖，主電路橋臂上的四個器件S1、S2、S3、S4的門極控制信號會同時關閉，此時S1、S2、S3、S4均被強迫關斷，但是由于這些器件的參數不可能完全一致，它們的關斷過程也不可能完全同步，總會出現某個器件先關斷或后關斷，如果先關斷的器件是S2，而此時流過電感Lf的電流方向是從左到右，那么這個電感電流必然從D3、D4續流，使橋臂中點B處的電位為-E/2(假定母線中點N的電位為0V)，而此時S1仍然導通，也就是說S2的集電極A處的電位為E/2，因此，S2承受的斷態電壓就是E，而其他器件S1、S3、S4承受的斷態電壓為0伏，從而出現電壓應力(即：斷態電壓)嚴重失衡(即：不平衡)。

除了在驅動信號封鎖保護情況下會出現內外側器件電壓應力失衡的問題外，輸出電壓過零點會因突加負載等工況而出現紊亂，驅動控制信號也可能出現S1和S2(或S3和S4)同步開關而導致功率器件電壓應力失衡，這是因為：當輸出負載突然變化，輸出電壓突變(即上述的紊亂)時，使得調節器飽和，會使S1、S2、S3、S4均受到高頻的驅動信號控制，而S1和S4的驅動信號之間不是高頻互補的，而且兩者之間也不存在固有的死區時間設定，這樣得到的驅動波形實際上是S1和S2同步開關，S3和S4同步開關，S1和S3互補工作(有死區)，S2和S4互補工作(有死區)，破壞了“任何時刻內側器件先于外側器件開通而后于外側器件關斷”的控制邏輯，從而導致功率器件電壓應力失衡。