风机变流器中IGBT驱动窄脉冲的影响与限制

摘要：在大功率风机变流器中，绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的工作可靠性对整个风电机组的安全运行有着直接影响。分析了驱动窄脉冲对风机变流器IGBT可靠运行的危害，并从理论上阐述了空间矢量调制(SVM)中窄脉冲出现的原理及限制方法。同时基于28335型DSP不对称死区设置的特点，指出不对称死区设置将进一步减少触发窄脉冲的宽度而却使得关断窄脉冲最少维持了2个死区时间。但关断窄脉冲对IGBT单元体反并联二极管的危害却依然值得关注。最后给出了相关测试波形，对窄脉冲问题的分析和抑制具有参考意义。
关键词：变流器；风机；绝缘栅双极型晶体管；窄脉冲

1 引言
随着环境和能源问题的不断加剧，风力发电作为一种应用前景广阔、经济性较突出的绿色可再生能源而备受关注。而带有大功率变流器设备的变速恒频风电机组能有效利用风能，受到广泛关注。
风电机组工作环境恶劣，却又要求安全性和可靠性高，这就对含有大功率电力电子器件的风机变流器提出更高要求。这里结合IGBT驱动窄脉冲对风机变流器的影响，分析SVM中窄脉冲产生原理及死区设置对窄脉冲的影响，探讨窄脉冲的避免与抑制，进一步提高风机变流器运行的可靠性。

2 窄脉冲的危害
图1示出三相电压型整流器(VSR)原理图。IGBT模块窄脉冲现象分如下两种情况：①IGBT单元出现触发窄脉冲；②IGBT单元出现关断窄脉冲，即体二极管出现窄脉冲。这两种均为半导体器件在未完全开通时又立即关断的行为，都可能导致较大的浪涌电压尖峰和振荡，使得大功率IGBT模块的可靠运行受到严重威胁，甚至损坏。特别对于体反并联二极管单元，若IGBT出现关断窄脉冲，则同桥臂另一只IGBT反并联二极管就有可能出现未完全开通又立即关断的行为，进而产生比IGBT窄脉冲触发更严重的关断电压尖峰或振荡。产生上述过高浪涌电压或振荡的原因为：半导体器件在导通后极短时间内进入反向恢复阶段，在还未积累充分数量载流子的状态下外加电压，过渡层迅速扩大，使其产生强烈的di／dt，du／dt。故为实现IGBT的可靠应用，一般应限制最小触发和关断脉宽。

产生窄脉冲有些是由于硬件系统外部干扰或光纤驱动输入光信号异常导致，而有些则是由于控制系统或电气参数设计不当导致。前者需提高硬件系统的电磁兼容性或采取硬件限制措施，后者则可通过相应的理论分析与软件设计加以避免。

3 SVM中窄脉宽的产生
为提高电压利用率，大功率风电机组变流器均采用SVM控制。三相逆变器开关管共有8个开关状态，这8个开关状态构成了8个基本电压空间矢量，如图2所示，其中6个为有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；两个为零矢量，幅值为零。

一个开关周期内，基本电压矢量按分时方式发生作用，在时间上构成一个空间矢量序列，以合成目标矢量。目前风机变流器均采用基于DSP的对称原则，谐波含量较小的7段式SVM合成方式被广泛采用，其矢量图和驱动波形图如图3所示。可见，7段式波形合成特点为：①在调制度接近零时，各IGBT驱动波形占空比接近50％，大功率变流器中，开关周期较长，不会出现窄脉冲；②当目标矢量位于两个基本矢量中间位置时，零矢量作用时间最短；③在接近满调制时，零矢量作用时间内，必将有一组桥臂出现窄脉冲，宽度为0．5倍的零矢量作用时间；④极端时，即满调制(目标矢量位于两个基本电压矢量中间)时，无零矢量作用时间。

由空间电压矢量合成原理可知：


依据IGBT开关特性，确定SVM允许的最小窄脉冲时间为tkmin；对于并网变流器，在电网稳定并满足电流控制裕度的条件下，可确定三相逆变器交流侧输出矢量的最大幅值|Uomax|。则在7段式电压空间矢量合成中，为避免SVM中零矢量的作用时间不低于t0min，可得：

可见，为限制窄脉冲的出现，必须提高Udc。
上面的讨论基于7段式SVM合成方式，若改变合成方式，如使用5段式，由于零矢量的作用时间集中在开关周期的中间位置，即为整个的t0，需对式(3)进行修正：

值得关注的是，对于3段式电压空间矢量合成，窄脉冲的出现与5段式或7段式不同。3段式电压空间矢量合成，在调制度接近零及满调制时，均出现窄脉冲，即在调制度接近零时，有效矢量产生窄脉冲，而满调制时，零矢量产生窄脉冲。

4 死区设置方式对浪涌电压的影响
以28335型DSP为例，PWM信号死区的设置采用非对称方式，即同桥臂上下管采取正常关断、延迟触发的死区设置方式。图4为低有效PWM模式下的波形。可见，这种不对称死区设置方式对IGBT触发脉冲和关断脉冲的影响不同。死区设置减小了触发脉宽但增加了关断脉宽，并使关断脉宽至少维持了2个死区时间。故其不良影响也不对称，应区别对待。对死区设置减少了触发脉宽这一现象，由于分析原理相同，对式(4)简单修正即可。