NPC2三电平拓扑横管过压保护开关逻辑

NPC2三电平拓扑因为其效率高，谐波含量低，在光伏逆变器设计中应用非常广泛。由下图可以看到，NPC2由四个开关管构成，包含竖管T1/T4，横管T2/T3。
 

 

 

在市电异常或者逆变器系统故障时，逆变器是否需要特殊的开关逻辑，对NPC2拓扑中的横管进行过压保护呢？

 

我们以横管T2/3采用50A 650V H5 IGBT IKW50N65H5，竖管T1/4为40A 1200V S6 IGBT IKW40N120CS6为例子。

 

当市电异常时，逆变器启动保护机制，如下图，从波形上看，T1与T2同时开始关断，但因为H5芯片开关速度天然比CS6快很多，即使在关断电阻T2>T1的情况下（T2 Rg=40ohm,T1 Rg=20ohm），T1的Vge下降速度依然比T2的Vge下降速度要慢，T2先关断。从波形上看，T2的Vce电压平台维持在780Vdc附近，持续了50us。对于800V母线系统，NPC2拓扑，横管最好用650V器件，其损耗比1200V低，但780V的电压平台已经远远超过器件的最大CE耐压。虽然下面波形图的管子还没有损坏，但是这在设计中绝对不允许的，需要把电压降低至合理的水平。

 

 

对于这种情况，可能的原因是，线路上杂散电容Cs(或者RC吸收电路上的电容Cs)的电荷无法释放造成。

 

 

如上图，Cs模拟杂散电容(或者RC吸收电容)，以正半周为例，T2比T1先关断：

 

左图T1，T2开通T3的电容(Cs)会被充电，电压在+Bus，中图当T2先关断时，Cs的电荷的泄放回路被切断，Cs电压会维持在+Bus，右图当T1关断时，输出电感电流通过T4的二极管续流，AC输出的点会被嵌位到-Bus。从而T2 CE两端电压会在+Bus和-Bus之间，总电压会是2倍Bus，远超横管常用的1倍Bus电压的器件选型。

 

如果，改变T1,T2的关断时序，T1比T2先关断：

 

 

如上图，左图，T1开通时，Cs电压为+Bus。中图，当T1先关断，因为T2还在开通，电感在续流情况下，电流会从中点流向AC输出端，Cs电容上的电压会被释放掉至0。右图，当T2关断时，电流通过T4二极管续流，AC输出端被嵌位在-Bus。在T2CE两端的电压为0和-Bus。总电压是1倍Bus电压。与第一种情况相对，T2上电压会减少一半。T2没有过压的风险。

 

仿真验证：

 

以PLECS仿真软件，搭建上图的线路。以T2先于T1关断，和T2延后T1关断两种情况来进行仿真。

 

上图当T2比T1先关断，三通道T2 Vce=800V.

 

上图当T1比T2先关断，三通道T2 Vce=400V.

 

实验验证：

 

第二次测试，减小T1 Rg=10ohm,维持T2 Rg=40ohm,从下面的波形可以看出，T1Vge下降速度比T2Vge下降速度要快，T1比T2先关断，T2 Vce电压平台会维持在390Vdc附近，大约为1/2母线电压。可以得知此方法对减少T2过压有很好的效果。

 

 

从上述的分析和实验可知，当横管杂散电容较大(或有RC吸收电路)时，在市电异常或者逆变器系统故障时，逆变器需要加入横管的延时关断策略，以减少横管过压的风险发生。