UPSMOSFET三电平逆变器开关管电压应力分析pdf免费下载

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基金项目:深圳市科技研发资金资助工程(NSKJ)定稿日期:作者简介:赵炀(),男,湖北人,硕士。研究方向为电力电子与电力传动。引言如何提升UPS高频逆变器中开关管的挠曲是决定该逆变器设计成败的关键之一。设计三电平逆变器时开关管的挠曲相对于该管所能承受的最大电压需留有必定余量最好小于该管最大电压值的。现有逆变器产品中常见IGBT作为开关元件相对于MOSFET管而言其开通速度较慢反并联二极管反向恢复能力较强所以工作过程中管应力也非常易于控制但其消耗较大。为了取得更高的强度重点探讨了以MOSFET管作为开关管的三电平逆变器应力问题。文献认为对二极管箝位型三电平逆变器而言其桥臂内管电压应力较外管更难控制虽然在以MOSFET为开关管的三电平逆变器电路中却造成了外管应力比内管更高的现象。文中将详细剖析该现象造成的缘由最后给出一种简单易行的解决方案使所有开关管的电压应力均满足规定并借助实验加以验证。现象表述在UPS三电平逆变器模块中直流母线电流UBUS=V空载情况下VQ关断时VQ产生电压应力峰值为V如图a所示VQ关断时VQ电压应力峰值为V如图b所示。由图可见外管应力远高于内管。图VQ和VQ空载应力波形三电平逆变器电压应力产生机制图示出三电平逆变器模块的单相拓扑结构以及在种工作状况下的电流流向图。

图为各开关管驱动波形及工作过程中输出功率uo与电容电流iL波形。开关管均采用MOSFET。在三栅极电路中以三相输出功率正半周为例即VQ常通VQ常断VQVQ为互补开关过程。结合uo与iL关系分种工作状况预测VQ的应力（虚线圈内）如图所示。（）工作状况当uo和iL均为正且电流值较小时即图中t~t区间。VQ关断后iL由UBUS→CVQ（VQ的等效输出电容）→VQ→L续流等效电路如图b所示。由于电流值很小桥臂中点O点电位UO降低很慢已经由UBUS降到N点电位UN死区时间UPSMOSFET三电平逆变器开关管电压应力分析赵炀,王毅,夏斌（哈尔滨工业大学深圳院广东深圳艾默生网络能源广东广州）摘要:为了提升UPS逆变器的精度常选用MOSFET代替IGBT作为UPS二极管箝位型三电平逆变器的主开关管由此会使功率管产生较大的电压应力且发生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V的UPS逆变器模块上测得的实验波形分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从而尽可能地提高损失精度确保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电平电压应力中图分类号:TM文献标识码:A文章编号:X（）AnalysisofVoltageStressinUPSThreeLevelInverterwithMOSFETZHAOYang,WANGYi,XIABin（HarbinInstituteofTechnologyShenzhenGraduateSchoolShenzhenChinaEmersonNetworkPowerShenzhenChina）Abstract:ThispaperproposesasolutiontoreducethevoltagestressarosebysubstitutingIGBTwithMOSFETEastheswitchofUPSThreeLeverInverterwhichcanimprovetheefficiencyofinverterEspeciallythevoltagestressofexternalswitchishigherthantheinternaloneinaUPSinverterinthiswayThevoltagestressisanalyzedasthreerepresentativestatesbythefiguresobtainedfromaUPSthreelevelinverterwithVDCBUSandthentheanalysisisverifiedbysomeexperimentAtlastareliablemethodtosolvetheproblemwithoutlosingtoomuchpowerisporwardThereforethispaperisusefultothedesignofahighefficientUPSthreelevelinverterKeywords:inverterfieldeffecttransistorefficientthreelevelvoltagestressFoundationProject:SupportebyShenzhenSienceandDevelopmentFund（NoNSKJ）第卷第期年月电力电子技术PowerElectronicsVol,NoMay,第卷第期年月电力电子技术PowerElectronicsVol,NoMay,就即将结束。

此时VQ开通UO由比UN高的值快速通过VQ→VD跃变到UN这一跃变过程使VQ承受较大的电压应力。该过程中死区时间越短iL越小VQ承受的电压应力越大。图逆变器单相电路拓扑及电压流向图图功率管驱动信号及对应uo和iL波形如图a所示iL=A且与uo方向同样VQ开通时udsVQ才成立到了V由于VQ的开通直接跃变到UBUS因此造成了形成较大的电压冲击。图种状态下动作开关管VQ的漏源电压波形（）工作状况当uo和iL均为正且电流值较大时即图中t~t区间。VQ关断后很短时间内与t~t区间相同iL由UBUS→CVQ→VQ→L续流此时的等效电路亦如图b所示。与t~t区间过程不同的是因为iL较大UO在死区时间结束之前降低至UN箝位二极管VD导通续流。VQ开通时VQ管几乎不受影响。如图b所示iL=A且与uo方向相似时VQ从给予关断驱动信号到完全关断udsVQ经过了ns。此时VQ开通信号还未到来。VQ的开通对VQ几乎没有影响。（）工作状况当uo与iL不同向以uo为正iL为负时为例作下述分析。该过程如图中t~t区间所示。VQ管关断之前因为MOSFET管反向导通阻抗远大于其反并联二极管因此iL不会流经其反并联二极管等效电路如图c图示。

VQ关断后iL才换流至反并联二极管等效电路如图d所示。UO依然为UBUS。VQ开通时电流流过VD将UO迅速拉到UN至使udsVQ发生急剧跃变。VQ开通越快iL越大则VQ反并联二极管反向恢复过程越短造成VQ承受的电压应力越大。图c图示为uo与iL方向相反状态VQ开通时udsVQ跃变幅度最大。由于MOSFET的逆向二极管恢复特点较多所致满载状况下瞬时电压尖峰最高可超过V如图a所示。电压负半周VQ常开VQ常闭VQVQ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的应力亦有妨碍但二极管不会象工作状况那样发生因时常承受全部UBUS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VQVQ的应力之所以会高于VQVQ的挠曲是因为MOSFET管寄生反并联二极管的逆向恢复特点较多在工作状况下形成过大的电压应力引起的。电压应力解决办法按照以下预测降低开关管应力主要对于工作状况措施如下：①选择反并联二极管恢复性能很好的MOSFET作为外管②使内管开通速度降低为ns而外管开通速度保持在ns。该方式推动起来较简便对控制个别的妨碍小可靠性高并能顺利解决应力问题。同时由于只是减少了内管的开通速度显然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。

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的探讨运用一台UPS逆变器模块作了试验。改进前逆变器模块直流母线电流UBUS=V开关管采用VMOSFET该管成本较低反并联二极管性能稍差驱动信号开通时间为ns时最恶劣状况下的蠕变波形如图a所示VQ的尖峰电流最高可达udsVQ=V。(下转第页)第卷第期年月电力电子技术PowerElectronicsVol,NoMay,改进后UPS三电平逆变器开关管应力测试环境为：UBUS=VVQVQ采用反并联二极管性能较好的VMOSFET驱动开通时间为nsVQVQ采用反并联二极管性能较好但价位相对低廉的VMOSFET驱动开通时间为ns。图b为满载运行时检测波形VQ的尖峰电流最高为udsVQ=VVQ的尖峰电压最高为udsVQ=V。由图可见大幅提升了VQ的电压应力。结束语以UPS三电平MOSFET管逆变器模块单相桥臂为例着重探讨了开关管应力产生的具体过程。就各开关管开关时互相影响状况下形成的电压应力而言因存在二极管反向恢复过程故这些逆变器外管电压应力状况较之内管更为恶劣。针对该恶劣情况强调降低内管驱动信号开通速度外管采用反并联二极管性能较优越的MOSFET管这一优化方案使该逆变器在能量损失较小的状况下各管应力均满足规定。

依照文中思路设计的UPS三电平逆变器模块其成本较普通IGBT逆变器的低效率较IGBT逆变器高。因此这一设计模式对高效率UPS系统的设计颇具积极的参考意义。参考文献阮新波三电平直流变换器及其软开关技术M北京:科学出版社桥臂中点A的电流uA采样信号us、上、下开关管的偏置信号ugVQ和ugVQ。通过这种的逻辑关系在上管关断后因为电流滞后于电压并且uA自然增长到较低转速时才允许下管导通。当下管关断后uA自然下降到较高电压时才允许上管开通。这样才能确保桥臂不出现共通开关管推动ZVS而且当负载进入容性状态时逆变器将能够开启才能起到有效的保护作用。图驱动互锁逻辑信号实验结果按照上述理论探讨制作了一台样机并进行了试验研究。图示出实验波形。图a给出逆变桥输出功率即桥臂中点电压uA和输出功率即电容电压iL波形图。由图可见iL波形比较接近正弦波而且滞后uA。而uA的上升沿和减少沿均较缓表明两开关管均实现了ZVS。图b给出负载电阻R上的输出功率uo波形。可见波形较接近正弦波。图c给出实验测得的uo与开关频率fs的对应图。实验结果证实当fs从kHz下降到kHz时uo有效值从V上升到V。在感应加热电源输出功率约为W加热时间为ms外加压力非常小的状况下包装纸的粘合效果超过了设计要求。

同时该设备在包装厂商作了初步的实际应用在机械自动化设备操作下可超过每小时封装包食品的疗效。结论预测了一种中小容量的感应控温用高频逆变器。该逆变器以半桥电路为核心开关管可以推动ZVS最后用kW的试验样机验证了理论探讨。实验结果证实该电池可提供可调的占空比电压和功率。此外该设施经过实际使用性能良好包装纸的粘合效果超过了设计要求。参考文献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（）：王创社乐开端一种高频电磁感应加热封口机电源J电力电子技术（）：汪军陈辉明基于LLC谐振负载的高频感应加热电源J电力电子技术（）：SteigerwaldRLAComparisonofHalfbridgeResonantConverterTopologiesJIEEETransonPowerElectronics（）：图优化前后VQVQ的电压应力波形(上接第页)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!图实验结果

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