UPS MOSFET三电平逆变器开关管电压应力分析 Analysis of Voltage Stress in UPS

第42卷第5期电力电子技术V01．42．No．5 1竺!兰!星墅兰竺曼!!!塑矍!!!坠坚!三竺!UPSMOSFET三电平逆变器开关管电压应力分析赵炀1，王毅’，夏斌2(1．哈尔滨工业大学深圳院，广东广州518055；2．艾默生网络能源，广东广州518057)摘要：为了提升UPS逆变器的强度。常选用MOSFET代替IGBT作为UPS二极管箝位型三电平逆变器的主开关管，V由此会使功率管产生较大的电压应力，且出现桥臂外管电压应力大于内管的特殊情况。结合在一台母线电流为800的UPS逆变器模块上测得的实验波形。分3种情况具体预测了该现象造成的缘由，并有针对性地强调一种简易实用的方式，旨在尽可能地提高损失精度，保证可靠性的前提下，使所有开关管电压应力均满足降额要求。该细则为进一步提升uPs三电平逆变器的精度提供了一条可行的方式。关键词：逆变器：场效应晶体管；效率，三栅极；电压应力中图分类号：TM464 文献标识码：A文章编号：1000-100Ⅸ(2008)05-0001-02InverterwithMOSFETofStressinUPSThreeLevelAnalysisVoltageZHA0Bin2Yangl。

WANGYil。XIAInstitute ShenzhenGraduate(1．Harbin ofTechnologySchool，Shenzhen518055，China；2．EmersonNetwork 518057，China)Power，Shenzhento the stressarose IGBTwithMOSFETE髂theAbstract：This asolutionreducepaperproposesvoltage bysubstitutingswitchofUPSThreeLever can theofstressofexternalInverter，whichinverter．Especially，thevoltageimproveefficiencyswitchis thantheinternaloneinaUPSinverterinthis stressis asthreehigherway．Thevoltage analyzed representativestatesthe obtainedfromaUPSthreelevelinverterwith800VDC thenthe isverifiedby figuresBUS，and analysis bylasttowithouttoomuch issomeareliablemethodsolvetheforward．Therefore。

experiment．Atproblem losing powerputthis isusefultothe ofa efficientUPSthreelevelinverter．paperdesignhisheffectstressKeywords：inverter；fieldtransistor；efficient／￡llree-level；voltage?FoundationShenzhenSieneeandProject：SupportebyDevelopmentFund(No．NSKJ-05) lU硼s=800引 言V，空载情况下，VQ，关断时，VQ，产生电压应力峰值为464如何提高uPs高频逆变器中开关管的挠曲是V。如图1a所示；VQ3关断时，VQ- 决定该逆交器设计成败的关键之一。设计三电平逆电压应力峰值为575V，如图1b所示。由图可见，外 变器时．开关管的挠曲相对于该管所能承受的最大管应力远高于内管。交垂 电压需留有必定余量．最好小于该管最大电压值的地 CQI≥茎1 80％。现有逆变器产品中常用IGBT作为开关元件。望量 相对于MOSFET管而言，其开通速度较慢，反并联萝霎 二极管反向恢复能力较强．因此工作过程中管应力鸯W出～鸯拳聋 也非常易于控制．但其损耗较大。

为了获取更高的效 率。重点探讨了以MOSFET管作为开关管的三电平图1 VQ3和VQ,空载应力波形 逆变器应力问题。文献【1】认为，对二极管箝位型三3三电平逆变器电压应力产生原理 电平逆变器而言．其桥臂内管电压应力较外管更难图2示出三电平逆变器模块的工频拓扑结构及 控制。然而在以MOSFET为开关管的三电平逆变器其在3种工作状况下的电流流向图。图3为各开关 电路中，却造成了外管应力比内管更高的项目：深圳市科技研发资金资助工程(NSKJ—05)定稿日期：2008-03—25(VQ。的等效输出电阻)一VQ2_吃续流，等效电路如作者简介：赵 炀(1982一)，男，湖北人，硕士。

研图2b所示。由于电流值很小，桥臂中点D点电位％究方向为电力电子与电力传动。降低很慢，尚未由+‰降到Ⅳ点电位巩，死区时间 万方数据 第42卷第5期电力电子技术V01．42，No．5 2008年5月PowerElectronicsMay。2008 就早已结束。此时VQ，开通，％由比巩高的值迅速 同的是，由于屯较大，％在死区时间结束之前降低 通过VQ广，VD：跃变到“，这一跃变过程使VQ。承至“，箝位二极管VD：导通续流。VQ，开通时，VQ- 受较大的电压应力。该过程中死区时间越短，屯越管几乎不受影响。 小，VQ。承受的电压应力越大。如图4b所示，iL=3A且与“。方向相似时，VQ。从给予关断驱动信号到完全关断“扪h经过了61011S。此时，VQ，开通信号还未到来。VQ。的开通对VQ。几乎没有影响。(3)工作状况3当‰与屯不同向，以M。为正，iL为负时为例作下述分析。该过程如图3中p，～td区间所示。VQ，管关断之前，由于MOSFET管反向导通阻抗远大于其反并联二极管，因此屯不会流经其反(a)三栅极变换器模块单相拓扑(b)2U作状态l并联二极管，等效电路如图2c所示。VQ。

关断后，iL才换流至反并联二极管。等效电路如图2d图示。％依然为+‰。VQ，开通时电流流过VD：，将％迅速拉到砜，至使U&VQ。发生持续跃变。VQ。开通越快，iL越大。则VQ。反并联二极管反向恢复过程越短，导致VQ，承受的电压应力越大。图4c所示为‰与屯方向相反状态，VQ，开通时(c)工作状态2(d)工作状态3H由vo。跃变幅度最大。由于MOSFET的反向二极管恢图2逆变器单相电路拓扑及电压流向图复特征较多．导致满载状况下。瞬时电压尖峰最高可超过594V，如图5a所示。电压负半周VQl常开，VQ，常闭，VQ：，VQ。交替开关，工作状况与正半周类似，在此不赘述。VQ。开关时对VQ，的应力亦有影响，但二极管不会象工作状况3那样，出现因时常承受全部一‰／2而迅速反向恢复的恶劣状况，故不作重点探讨。由以下预测可知，VQ。，VQ。的应力之所以会大图3功率管驱动信号及对应‰和iL波形如图4a所示，iL=O．4A，且与M。方向相似，VQ，二极管的逆向恢复特点较多。在工作状况3下产生 开通时，岫Qt才建成到了170V，由于VQ，的开通直 过大的电压应力引起的。 接跃变到+‰。因此造成了形成较大的电压冲击。

4电压应力解决办法、鑫 I¨●一． 、根据以下预测。降低开关管应力主要对于工作|’；…詈状态3，措施如下：①选择反并联二极管恢复性能较鐾)吲多一 ^ 酬nj——一好的MOSFET作为外管；②使内管开通速度降低为篓^心500耋IIS，而外管开通速度维持在300IIS。该方式推动起来较简便，对控制个别的制约小．可靠性高，并能顺利解决应力问题。同时。因为只是减少了内管的开通速度．因此整个逆变模块的强度损失不会很大，完全可借助其它机制加以弥补。5试验结果及预测为了验证对三电平逆变器开关管应力产生机制 (b)工作状态2时VQ簿漏源电压(c)工作状态3时VQl管漏源电压的分析，利用一台UPS逆变器模块作了试验。改进图4 3种状态下动作开关管VQ．的漏源电压波形前逆变器模块直流母线电流‰萨800V；开关管采V(2)工作状况2当‰和屯均为正，且电流值用600MOSFET。该管成本较低，反并联二极管性 较大时，即图3中【t。一蜘区间。VQ。关断后很短时间内 能稍差；驱动信号开通时间为300lls时，最恶劣情 --t=j[tlq2】区间相同，屯由+”CvQl_+VQ厂屺续流，此况下的挠曲波形如图5a所示，VQ。

的尖峰电流最高 时的等效电路亦如图2b所示。与【￡。一t2】区间过程不V。(下转第44页)可达u枷l=5942 万方数据 第42卷第5期电力电子技术V01．42．No·5 1竺!鱼!旦!些!!墅!竺竺竺登!!!坠矍：!塑! 桥臂中点A的电流‰采样信号“。、上、下开关管的 和输出电压即电容电阻i助波形图。由图可见，i。。波形比较接近正弦波，而且滞后UA。而ttA的上升沿和 栅极信号ttgvQ2和ttgVQ3。通过这种的逻辑关系，在上管 关断后开关管电压应力，由于电流滞后于电压，使得蝴自然增长到下降沿均较缓，说明两开关管均实现了ZVS。图6b 较低功率时，才允许下管导通。当下管关断后，uA自 给出负载电阻尺上的输出功率‰波形。可见，波形 然回升到较高电压时，才允许上管开通。这样才能保较接近正弦波。图6c给出实验测得的‰与开关频 证桥臂不出现共通，开关管实现ZVS，而且当负载进kHz下降率．／：的对应图。实验结果证实，当．‘从535到482V上升到295 入容性状态时，逆变器将能够开启，从而起到有效的kHz时，‰有效值从117V。在感应加热电源输出功率约为800 保护作用。W，加热时间为]广————]；广f：／：＼／1 ＼，．卜——]卜——]i1：卜——]； ‘ 5 实验结果预测了一种中小容量的感应加热用高频逆变器。

该逆变器以半桥电路为核心，开关管可以推动 ，根据上述理论探讨制作了一台样机．并进行了ZVS，最后用2kW的试验样机验证了理论探讨。实 实验探究。图6示出实验波形。 螋 产—_1击。开关管电压应力，_’’验结果证实。该电源可提供可调的占空比电压和电 ≥ ’7i P』 、 ＼g，i l f l 墼流。此外。该设施经过实际使用，性能良好，包装纸的 ； J； l＼ ^ ； 毒8粘合效果超过了设计要求。 一 瓣 …簇Xt-≥…Z{‘、鼍 i掌 N露’{…l≮7；i心 ≮ ．摹ns／格)参考文献t／(400(a)逆变桥输j|}电胜电流【1】1 吴兆麟，林刚，兰奎．串联逆变式高频感应加热电源【J】．电力电子技术，1994，28(1)：18—21．【2】t@J社，乐开端．一种高频电磁感应加热封口机电源叨．电力电子技术，1998，32(2)：95—97．【3】汪军，陈辉明．基于LLC谐振负载的高频感应加热电100 200 300400源[J】．电力电子技术，2005，39(6)：78—80．‰，V(c)实验电压与温度对应图RL．AofResonant【4】SteigerwaldComparisonHalf-bridge图6实验结果ConvenerTrans．onPowerTopologies[J]．IEEE Electronics，图6a给出逆变桥输出功率即桥臂中点电压瑚1988，3(2)：174—182． (上接第2页)6结束语垂；．I 11儿‘“ ⅢI，．1 『””1 昌臂为例。

着重探讨了开关管应力产生的具体过程。就J兰多各开关管开关时互相影响状况下形成的电压应力而、 ‰ ／03 害言．因存在二极管反向恢复过程，故这些逆变器外管弓耋电压应力状况较之内管更为恶劣。针对该恶劣情况，图5改进前后VQ，，VQ，的电压应力波形霪一 提出改善内管驱动信号开通速度，外管采用反并联霹一 二极管性能较优越的MOSFET管这一优化方案。使改进后UPs三电平逆变器开关管应力测试环 该逆变器在能量损失较小的状况下各管应力均满足 境为：U髓=800V；VQ。，vQ4采用反并联二极管性能规定。依照文中思路设计的UPS三电平逆变器模V 较好的600MOSFET．驱动开通时间为300ns； 块，其成本较普通IGBT逆变器的低，效率较IGBT VQ：，VQ，采用反并联二极管性能较好，但价位相对 逆变器高。因此，这一设计模式对高效率UPS系统V 便宜的600MOSFET。驱动开通时间为500as。图 的设计颇具积极的参考意义。 5b为满载运行时检测波形，VQ。的尖峰电压最高为参考文献 M姗。--475V。由 【l】 阮新波．三电平直流变换器及其软开关技术[M】．北京：科V，VQ3的尖峰电压最高为Ud．VQ3463 图可见，大幅提升了VQ。的电压应力。学出版社．2006． 万方数据

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