№ 6
ИЗВЕСТИЯ АКАДЕМИИ НАУК ЭНЕРГЕТИКА
2014
УДК 621.314.263
УМЕНЬШЕНИЕ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ И ДИНАМИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ МОЩНОСТИ В СИЛОВЫХ КЛЮЧАХ МНОГОУРОВНЕВЫХ ИНВЕРТОРОВ НАПРЯЖЕНИЯ
© 2014 г. П. А. ВОРОНИН1, И. П. ВОРОНИН1, Д. И. ПАНФИЛОВ2, Д. В. РОЖКОВ3
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет "МЭИ"», Москва 2Открытое акционерное общество "Энергетический институт им. Г.М. Кржижановского"
(ОАО "ЭНИН"), Москва
3 Открытое акционерное общество «Научно-производственная корпорация "Космические системы мониторинга, информационно-управляющие и электромеханические комплексы" им. А.Г. Иосифьяна» (ОАО "Корпорация "ВНИИЭМ"), Москва E-mail: rozhkovdv@gmail.com
В работе рассмотрен ряд схемотехнических и конструктивных решений, обеспечивающих снижение перенапряжений и динамических потерь мощности в силовых ключах многоуровневых инверторов напряжения с фиксирующими диодами. Показано, что переход к интегральному или "бескорпусному" исполнению — наиболее эффективный способ снижения паразитной индуктивности в конструкции многоуровневой схемы, являющейся главной причиной возникающих динамических перенапряжений. Для снижения динамических потерь мощности предложен метод резонансной коммутации на фронтах, обеспечивающий переключение силовых ключей многоуровневой схемы при нулевом напряжении (ПНН) и нулевом токе (ПНТ). Метод резонансной коммутации, применительно к многоуровневой схеме, решает проблему динамических перенапряжений при помощи ограничения скорости нарастания напряжения в режиме ПНН или предварительного сброса энергии, запасенной в индуктивности контура коммутации в режиме ПНТ.
Ключевые слова: паразитная индуктивность, динамическое перенапряжение, многоуровневый инвертор, трехуровневый инвертор, интегральная конструкция, резонансная коммутация, контур коммутации.
OVERVOLTAGE AND SWITCHING LOSSES REDUCTION IN NPC-TYPE MULTILEVEL INVERTERS
P. A.Voronin1, I. P. Voronin1, D. I. Panfilov2, D. V. Rozhkov3
1 National Research University "Moscow Power Engineering Institute", Moscow 2 Joint Stock Company "G.M. Krzhizhanovsky Power Engineering Institute", Moscow
3 Joint Stock Company «Research and Production Corporation "Space Monitoring Systems, Information & Control and Electromechanical Complexes" named after A.G. Iosifian», Moscow
E-mail: rozhkovdv@gmail.com
In this article a row of the circuitry and constructive decisions that provide lowering of overvoltage and switching losses in multilevel inverters with clamping diodes (NPC-type) is considered. It is shown that applying integral or "caseless" construction of power switching modules is the most effective method of stray inductance lowering. For lowering of switching losses in multilevel inverters two methods of resonant (soft) switching is offered: zero voltage switching (ZVS) and zero current switching (ZCS). The resonant (soft) switching in multilevel inverters at the same time solves a problem of switching overvoltage by restriction of voltage rise speed in ZVS mode or lowering of the energy accumulated in stray inductance in ZCS mode.
Key words: stray inductance, dynamic overvoltage, multilevel inverter, three-level inverter, integral construction, soft switching, switching circuit.
Введение
В настоящее время происходит интенсивное внедрение силовых полупроводниковых ключей в устройства передачи электроэнергии на ЛЭП переменного и постоянного тока [1]. Это позволяет обеспечивать эффективное регулирование и перераспределение мощности между энергосистемами, снижать потери и увеличивать пропускную способность ЛЭП.
Одной из задач при разработке мощных преобразователей для энергетики является повышение их выходного напряжения до среднего и высокого уровня при ограниченном максимально допустимом напряжении на силовых ключах. Применение обычного последовательного соединения ключевых элементов требует равномерного распределения напряжения между ними, особенно в динамических режимах.
Топология многоуровневых схем позволяет использовать для построения высоковольтных преобразователей относительно низковольтные полупроводниковые ключи с рабочим напряжением 1200 В/1700 В без применения специальных цепей делителей напряжения. За счет повышения уровня выходного напряжения обеспечивается увеличение выходной мощности устройства. Например, пятиуровневая схема инвертора напряжения на силовых ключах IGBT с максимально допустимым напряжением 1700 В обеспечивает надежную работу в сети линейного напряжения 4 кВ.
Многоуровневый принцип построения инверторов обеспечивает значительное снижение динамических и суммарных потерь мощности.
Известны три базовые топологии построения многоуровневых схем [2]:
— каскадная схема на базе изолированных однофазных мостовых схем;
— схема последовательных ключей с навесными конденсаторами;
— схема последовательных ключей с фиксирующими диодами (NPC-топология).
Схемы с навесными конденсаторами и с фиксирующими диодами имеют практически вдвое меньшее число активных ключевых компонентов по сравнению с каскадной схемой. При этом NPC-схема является энергетически и экономически наиболее эффективной [3].
Несмотря на преимущества многоуровневых схем с фиксирующими диодами, при разработке высоковольтных преобразователей на их основе приходится решать ряд проблем:
— балансировка напряжения на шинах постоянного тока схемы;
— ограничение статического перенапряжения на внутренних ключах схемы;
— ограничение динамического перенапряжения на внутренних ключах схемы;
— выравнивание напряжения на фиксирующих диодах;
— разработка специальных цепей защиты;
— устранение неравномерности выделения тепловых потерь в ключевых элементах схемы.
Из перечисленных технических проблем наиболее важной является необходимость ограничения всплесков динамического перенапряжения. Без ее решения теряется одно из главных преимуществ многоуровневой схемы — возможность применения полу-
Сф2==
В17Г
\Т1
Б5
ж о2ж
Бб
Т2
ЧТ3
Т4
Рис. 1. Трехуровневая схема с фиксированной нейтралью
проводниковых кристаллов с пониженным классом по напряжению. Возникновение перенапряжений приводит также к росту дополнительных динамических потерь мощности в силовых ключах, что может приводить к выходу их из строя в процессе работы инвертора.
Решению проблемы уменьшения перенапряжений и динамических потерь в силовых ключах трехуровневой схемы с фиксирующими диодами посвящена данная работа.
Трехуровневая схема с фиксированной нейтралью
Трехуровневая схема топологии КРС выполняется в виде схемы полумоста с фиксированной нейтралью (рис. 1) и имеет топологическое обозначение 3Ь. Посредством переключения четырех транзисторов Т1, Т2, Т3 и Т4 в средней точке ключевой стойки, которая называется точкой фазы, формируется трехуровневый сигнал переменного напряжения. Для формирования трехуровневого напряжения с качественным гармоническим составом при переключении транзисторов Т1—Т4 используется широт-но-импульсная модуляция (ШИМ).
При индуктивном характере нагрузки ток в выходной цепи модуля имеет синусоидальную форму и отстает по фазе от напряжения. В результате на периоде выходной частоты в трехуровневой схеме последовательно реализуются четыре контура коммутации:
1) при положительном выходном напряжении и положительном токе нагрузки;
2) при положительном выходном напряжении и отрицательном токе нагрузки;
3) при отрицательном выходном напряжении и отрицательном токе нагрузки;
4) при отрицательном выходном напряжении и положительном токе нагрузки.
В первом и третьем контурах в процессе коммутации участвуют два полупроводниковых элемента, эти контуры охватывают относительно малую площадь и называются "короткими" контурами коммутации.
Во втором и четвертых контурах в процессе коммутации участвуют четыре полупроводниковых элемента, контуры охватывают площадь примерно в два раза большую и называются "длинными" контурами коммутации.
Обеспечение минимального значения распределенной индуктивности в каждом из контуров коммутации, и, особенно, в "длинных" — одна из самых сложных задач при разработке конструкции трехуровневой схемы. Повышенная паразитная индуктивность в "длинном" контуре коммутации может вызвать значительные коммутационные перенапряжения и свести практически на нет все преимущества трехуровневой схемы с фиксированной нулевой точкой в части уменьшения напряжений на ключах.
li-Di | D5 I2-D2
Z3E
• »
• •
T4-D4J |_D6 T3-D3
□
Ф
Рис. 2. Силовая сборка трехуровневой схемы из силовых модулей одиночных ключей (конструкция квадратной формы)
Рис. 3. Силовая сборка трехуровневой схемы из силовых модулей одиночных ключей (конструкция прямоугольной формы)
Поэтому в зарубежных аналогах компаний "Infineon Technologies" (трехуровневые модули F3L100R07W2E3) и "Semikron" (трехуровневые модули SK100MLI066T) применяются полупроводниковые кристаллы с дополнительным запасом по классу напряжения [4, 5].
Суммарная паразитная индуктивность LS в контуре коммутации включает собственную индуктивность монтажных проводников и выводов силовых модулей и петлевую индуктивность подводящих шин постоянного тока. Амплитуда перенапряжения A V зависит от энергии, запасенной в индуктивности LS перед выключением силового ключа [6]. Величину AV можно определить —
AV = IJ Ls/Cs ,
(1)
где 1н — коммутируемый ток нагрузки; С8 — эквивалентная емкость контура коммутации.
В М-уровневой схеме с фиксирующими диодами эквивалентная емкость в наиболее "длинном" контуре коммутации оценивается по формуле:
Cs — ci
N -1
'N - 2,
(2)
где С0 — выходная емкость силового ключа.
Согласно (1) можно предложить следующие варианты решения проблемы динамического перенапряжения:
— снижение паразитной индуктивности с помощью ряда конструктивных решений;
Ф
б
Сф1==
_п
Сф2
Й
М1
М3
М2
й
Рис. 4. Трехуровневая схема топологии КРС из трех стандартных модулей
М1
Ф
М3 М2
Рис. 5. Силовая сборка трехуровневой схемы из трех стандартных модулей
— увеличение емкости С8 за счет применения резонансной коммутации при н
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.