風(fēng)機變流器中IGBT驅(qū)動窄脈沖的影響與限制

摘要：在大功率風(fēng)機變流器中，絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)的工作可靠性對整個風(fēng)電機組的安全運行有著直接影響。分析了驅(qū)動窄脈沖對風(fēng)機變流器IGBT可靠運行的危害，并從理論上闡述了空間矢量調(diào)制(SVM)中窄脈沖出現(xiàn)的原理及限制方法。同時基于28335型DSP不對稱死區(qū)設(shè)置的特點，指出不對稱死區(qū)設(shè)置將進一步減少觸發(fā)窄脈沖的寬度而卻使得關(guān)斷窄脈沖最少維持了2個死區(qū)時間。但關(guān)斷窄脈沖對IGBT單元體反并聯(lián)二極管的危害卻依然值得關(guān)注。最后給出了相關(guān)測試波形，對窄脈沖問題的分析和抑制具有參考意義。
關(guān)鍵詞：變流器；風(fēng)機；絕緣柵雙極型晶體管；窄脈沖

1 引言
隨著環(huán)境和能源問題的不斷加劇，風(fēng)力發(fā)電作為一種應(yīng)用前景廣闊、經(jīng)濟性較突出的綠色可再生能源而備受關(guān)注。而帶有大功率變流器設(shè)備的變速恒頻風(fēng)電機組能有效利用風(fēng)能，受到廣泛關(guān)注。
風(fēng)電機組工作環(huán)境惡劣，卻又要求安全性和可靠性高，這就對含有大功率電力電子器件的風(fēng)機變流器提出更高要求。這里結(jié)合IGBT驅(qū)動窄脈沖對風(fēng)機變流器的影響，分析SVM中窄脈沖產(chǎn)生原理及死區(qū)設(shè)置對窄脈沖的影響，探討窄脈沖的避免與抑制，進一步提高風(fēng)機變流器運行的可靠性。

2 窄脈沖的危害
圖1示出三相電壓型整流器(VSR)原理圖。IGBT模塊窄脈沖現(xiàn)象分如下兩種情況：①IGBT單元出現(xiàn)觸發(fā)窄脈沖；②IGBT單元出現(xiàn)關(guān)斷窄脈沖，即體二極管出現(xiàn)窄脈沖。這兩種均為半導(dǎo)體器件在未完全開通時又立即關(guān)斷的行為，都可能導(dǎo)致較大的浪涌電壓尖峰和振蕩，使得大功率IGBT模塊的可靠運行受到嚴(yán)重威脅，甚至損壞。特別對于體反并聯(lián)二極管單元，若IGBT出現(xiàn)關(guān)斷窄脈沖，則同橋臂另一只IGBT反并聯(lián)二極管就有可能出現(xiàn)未完全開通又立即關(guān)斷的行為，進而產(chǎn)生比IGBT窄脈沖觸發(fā)更嚴(yán)重的關(guān)斷電壓尖峰或振蕩。產(chǎn)生上述過高浪涌電壓或振蕩的原因為：半導(dǎo)體器件在導(dǎo)通后極短時間內(nèi)進入反向恢復(fù)階段，在還未積累充分?jǐn)?shù)量載流子的狀態(tài)下外加電壓，過渡層迅速擴大，使其產(chǎn)生強烈的di／dt，du／dt。故為實現(xiàn)IGBT的可靠應(yīng)用，一般應(yīng)限制最小觸發(fā)和關(guān)斷脈寬。

產(chǎn)生窄脈沖有些是由于硬件系統(tǒng)外部干擾或光纖驅(qū)動輸入光信號異常導(dǎo)致，而有些則是由于控制系統(tǒng)或電氣參數(shù)設(shè)計不當(dāng)導(dǎo)致。前者需提高硬件系統(tǒng)的電磁兼容性或采取硬件限制措施，后者則可通過相應(yīng)的理論分析與軟件設(shè)計加以避免。

3 SVM中窄脈寬的產(chǎn)生
為提高電壓利用率，大功率風(fēng)電機組變流器均采用SVM控制。三相逆變器開關(guān)管共有8個開關(guān)狀態(tài)，這8個開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成了8個基本電壓空間矢量，如圖2所示，其中6個為有效矢量，幅值2Udc／3，相位依次相差60°；兩個為零矢量，幅值為零。

一個開關(guān)周期內(nèi)，基本電壓矢量按分時方式發(fā)生作用，在時間上構(gòu)成一個空間矢量序列，以合成目標(biāo)矢量。目前風(fēng)機變流器均采用基于DSP的對稱原則，諧波含量較小的7段式SVM合成方式被廣泛采用，其矢量圖和驅(qū)動波形圖如圖3所示。可見，7段式波形合成特點為：①在調(diào)制度接近零時，各IGBT驅(qū)動波形占空比接近50％，大功率變流器中，開關(guān)周期較長，不會出現(xiàn)窄脈沖；②當(dāng)目標(biāo)矢量位于兩個基本矢量中間位置時，零矢量作用時間最短；③在接近滿調(diào)制時，零矢量作用時間內(nèi)，必將有一組橋臂出現(xiàn)窄脈沖，寬度為0．5倍的零矢量作用時間；④極端時，即滿調(diào)制(目標(biāo)矢量位于兩個基本電壓矢量中間)時，無零矢量作用時間。