逆变输出具有不确定性,在有些负载的合闸瞬间,输出会出现很大的冲击电流,对于这种瞬间冲击电流,若不采取相应的措施,对逆变器的可靠工作会有较大的影响,我们很多机器采用的为软件限流方式—电流内环限流解决这一问题,由于采样延时和计算机处理延时的影响,相较硬件限流方式来说,响应速度慢,对电路增长过快的冲击性负载几乎不起作用,所以我们采用了硬件限流的方式。

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图2-1 逆变三电平控制

其中 Q1和Q4 为主管, Q2和Q3 为辅管, Q1和Q3 互补, Q2和Q4 互补。正半周时 Q2常通, Q4常关,Q1 Q3和 互补。负半周时 Q3常通, Q1常关, Q2和Q4 互补。

当电感电流过大,触发强限时,动作时序为关管子->延时一段时间->释放管子。下面分别对其进行分析设计。

2.1 发生强限,关管子动作
当发生限流时为了让电流减小,需关闭 Q1和Q4 ,RCD载二次投载或者C载瞬投瞬间,输出电压发生剧变,会有输出电压和电感电流方向相反的情况,假设电感电流为正,输出电压为负,发生强限时若保持 Q2和Q3 导通,则如下图2-2所示
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图2-2 强限不关中间管

从图中可以看出 Q2和Q3 续流时,电压和电感电流方向相同,电感电流增长,起不到限制电流的作用。

所以为了避免这种情况,当发生限流时要4个管子都关闭,假设4个管子同时关闭,以正边为例,则如图2-3所示

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图2-3 4管同时关闭示意图

从图2-3中可以看出,发生强限前,电感电流为正, Q1和Q2 导通,Q1 和 Q2之间的电压U2为+ BUS, Q2续流回路中snubber电容 C1上的压降为+BUS,此时若发生强限,四个管子同时关闭, C1上的电量没有回路释放,保持为+BUS;电感电流保持正向不变,通过 Q3和Q4 的体内二极管续流,所以 Q2和Q3之间的电压 变为-BUS, Q2上压降为 U2-U3=2*BUS。

由上可知,在关闭Q1 和Q4 ,需要延时一段时间,保证 C1和C2上的电量释放完全后再关闭 Q2和Q3 ,其中C1和C2的电容值很小,延时时间>2uS 即可以满足要求。
最后确定强限发生时,先关 Q1和Q4 ,延时时间>2uS, 再关闭 Q2和Q3 ,则无论电流方向和驱动时序如何都不会导致逆变开关管spike超标,以正边为例,如图2-4所示
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图2-4强限发生时管子动作

2.2强限后时间长度的选择

当4个管子全部关闭后,电感电流迅速下降。发生强限后,如果时间较长,电感电流有可能会发生反向流通,以强限后电感电流为正为例,如图2-5所示:

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图2-5 4管全关电流反向示意图

由上图可以看出,刚发生强限时电感电流为正,通过 Q3和 Q4的体二极管续流,Q3和Q4 之间的电压 U4为-BUS, Q3续流回路中的 C2上的电压也为-BUS,当电感电流反向后, C2上的电量没有回路进行释放,保持为-BUS即 U4= -BUS ,电流通过 Q1和 Q2体内二极管续流,U3= +BUS , Q3上压降为 U3-U4=2*BUS。

所以强限后时间长度需要进行合理的选择,一个是确保电感电流的大小得到遏制,一个是确保电感电流不会反向。

2.3 强限结束后,释放管子动作
强限结束后,可供选择的释放管子的方式有
1. 直接恢复正常的驱动方式,以正边驱动为例,如图2-6所示。
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图2-6

如图2-6所示,这种情况下,同样由于 Q3续流回路中的 C2上的电压没有回路释放,导致Q3上有两倍BUS的压降
先开通Q2和Q3 管,再恢复Q1和Q4 驱动,以正边为例,如图2-7所示
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图2-7 释放管子正确时序图
由图2-7(a)可以看出,必须要 Q2和Q3同时导通,才不会有spike超标的问题, 从图2-7(b)可以看出,即使 Q3不导通,也不会有spike超标

在强限发生后,逆变输出占空比有可能超过95%且IGBT需要一定的导通时间,所以为了保证Q2和Q3 可以得到可靠导通,且续流回路中的snubber电容电量充分放电,需要强制延时2us。

最后确定强限发生后的正确操作时序为:先关主管,延时2us以上再关副管,选取合理的4个管子同时关断时间,然后开Q2和Q3 ,强制执行2us以后再恢复主管动作。在恢复时,会在驱动的上升沿增加死区时间,所以在 Q1导通前, Q3会先关闭,不会出现Q1 ,Q2和Q3 同时导通的现象。



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