一种应用RC-IGBT的NPC变流器驱动控制方法与流程

本发明涉及一种电力电子变换器领域，特别是一种应用rc-igbt的npc变流器驱动控制方法。

背景技术：

随着化石能源的不断衰竭，新能源分布式发电技术越来越受到人们的重视，太阳能发电需要通过逆变器转化为交流电才能并到公共电网中，这项应用涉及到逆变器技术。相比传统的两电平逆变器输出仅两种电平、电压变化率du/dt高、总谐波畸变率大等不足，三电平逆变器的输出电平多、谐波含量低、器件开关应力小，被广泛应用于中高压变频调速、有源电力滤波和电力系统无功补偿等领域。在现有的众多多电平逆变器中，三电平二极管钳位型逆变器(npc)是最早提出和应用的，然而，实际应用中存在中点电压不平衡、器件损耗过大这两个问题。本发明主要就减小三电平npc变流器开关损耗方面进行研究。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种应用rc-igbt的npc变流器驱动控制方法，减小原有npc变流器的开关损耗，增大变流器的功率密度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种应用rc-igbt的npc变流器驱动控制方法，所述npc变流器的工作模态由原有npc变流器的3种变换至6种，驱动控制较为复杂，提出一种六模态驱动控制方法，根据pwm调制信号和电流方向得出功率器件的工作模态，来设置功率器件处于igbt开通、二极管续流和rc-igbt关断三种模式，并相应给出+15v、-15v和-15v的驱动信号。同时，当rc-igbt器件由二极管续流模式切换到关断模式时，通过在功率器件栅极加退饱和脉冲，减小反向恢复电流和关断损耗。

对于npc变流器的a相，所述六模态驱动控制方法包括以下步骤：

1)采样变流器输出电流ia，判断其正负关系，确定电流流向，其中，ia流出桥臂中点为正方向，流入桥臂中点为负方向；

2)根据电流方向和pwm调制信号sa1～sa4来确定a相桥臂自上至下的四个功率器件rc-igbta1～rc-igbta4的驱动信号并设置功率器件处于igbt开通、二极管续流和rc-igbt关断三种模式；其中sa1～sa4分别为rc-igbta1～rc-igbta4的调制信号，分别为rc-igbta1～rc-igbta4的驱动信号；

3)根据调制信号和电流方向的不同，可以确定rc-igbt的驱动信号和工作模态，对于npc变流器的a相，npc变流器的工作模态如下：

模态一：当调制信号sa1、sa2为高电平且电流方向为正时，设置为+15v，rc-igbta1工作于igbt开通模式；设置为+15v，rc-igbta2工作于igbt开通模式；设置为-15v，rc-igbta3处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta4处于关断模式；

模态二：当调制信号sa2、sa3为高电平且电流方向为正时，设置为-15v，rc-igbta1处于关断模式；设置为+15v，rc-igbta2工作于igbt开通模式；设置为-15v，rc-igbta3处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta4处于关断模式；

模态三：当驱动信号sa3、sa4为高电平且电流方向为正时，设置为-15v，rc-igbta1处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta2处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta3工作于二极管续流模式；设置为-15v，rc-igbta4工作于二极管续流模式；

模态四：当驱动信号sa1、sa2为高电平且电流方向为负时，设置为-15v，rc-igbta1工作于二极管续流模式；设置为-15v，rc-igbta2工作于二极管续流模式；设置为-15v，rc-igbta3处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta4处于关断模式；

模态五：当驱动信号sa2、sa3为高电平且电流方向为负时，设置为-15v，rc-igbta1处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta2处于关断模式；设置为+15v，rc-igbta3工作于igbt开通模式；设置为-15v，rc-igbta4处于关断模式；

模态六：当驱动信号sa3、sa4为高电平且电流方向为负时，设置为-15v，rc-igbta1处于关断模式；设置为-15v，rc-igbta2处于关断模式；设置为+15v，rc-igbta3工作于igbt开通模式；设置为+15v，rc-igbta4工作于igbt开通模式；

4)当rc-igbt器件由二极管续流模式切换到关断模式时，通过在功率器件栅极加退饱和脉冲，减小反向恢复电流和关断损耗。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明所提出的六模态驱动控制方法减小了原有npc变流器的开关损耗，增大了变流器的功率密度。

附图说明

图1为应用rc-igbt的npc变流器电路拓扑图。

图2为以a相为例时功率器件驱动信号波形图。

图3表示当电流方向为正且调制信号sa1、sa2为高电平时，rc-igbta1和rc-igbta2工作在igbt开通模式下。

图4表示当电流方向为正且调制信号sa2、sa3为高电平时，rc-igbta2工作在igbt开通模式下，rc-igbta3处于关断模式。

图5表示当电流方向为正且调制信号sa3、sa4为高电平时，rc-igbta3和rc-igbta4工作在二极管续流模式下。

图6表示当电流方向为负且调制信号sa1、sa2为高电平时，rc-igbta1和rc-igbta2工作在二极管续流模式下。

图7表示当电流方向为负且调制信号sa2、sa3为高电平时，rc-igbta3工作在igbt开通模式下，rc-igbta2处于关断模式。

图8表示当电流方向为负且调制信号sa3、sa4为高电平时，rc-igbta3和rc-igbta4工作在igbt开通模式下。

具体实施方式

图1为开关器件采用rc-igbt的npc变流器电路拓扑图，它将原有npc变流器的igbt器件和反并联二极管均由rc-igbt器件取代。所述变流器直流侧由2个完全相同的分压电容c1、c2串联组成，两电容的连接点o即直流侧中点，电容上下两端为直流侧正极p和负极n，上电容c1和下电容c2各承受一半的直流电压udc，即p点的电位为n点的电位为每相桥臂由4个rc-igbt器件串联组成，三相桥臂均并联在直流侧正极p和负极n之间，每相桥臂中点为变流器输出端。每相桥臂还包含两个钳位二极管，两钳位二极管串联连接，以a相为例，桥臂从上至下依次为rc-igbta1、rc-igbta2、rc-igbta3、rc-igbta4，钳位二极管vda1的阴极接在rc-igbta1和rc-igbta2之间，钳位二极管vda2的阳极接在rc-igbta3和rc-igbta4之间，vda1与vda2的连接点接到直流侧中点o。相比于原有npc变流器，所述npc变流器的集成度高、电流耐受力和散热特性更好。

图2表示以a相为例时功率器件驱动信号波形图。当功率器件由二极管续流模式切换到关断模式时，将退饱和脉冲加到功率器件门极来降低关断损耗。当退饱和结束后，另外的功率器件才会导通，否则将引起直通。t1～t2时间内，pwm调制信号sa1、sa2为高电平且电流方向为负，驱动信号为-15v，rc-igbta1和rc-igbta2工作在二极管续流模式下。t2～t5时间内，pwm调制信号sa2、sa3为高电平且电流方向为负，其中，t2～t3时间内，rc-igbta1和rc-igbta2的门极加上+15v退饱和脉冲以实现快速关断；t4～t5时间内，rc-igbta1和rc-igbta2均处于关断模式，rc-igbta3工作在igbt导通模式下。

以a相为例，应用rc-igbt的npc变流器工作模态如表1所示：

表1应用rc-igbt的npc变流器工作模态

图3表示当电流方向为正且调制信号sa1、sa2为高电平时，rc-igbta1和rc-igbta2工作在igbt开通模式下。

图4表示当电流方向为正且调制信号sa2、sa3为高电平时，rc-igbta2工作在igbt开通模式下，rc-igbta3处于关断模式。

图5表示当电流方向为正且调制信号sa3、sa4为高电平时，rc-igbta3和rc-igbta4工作在二极管续流模式下。

图6表示当电流方向为负且调制信号sa1、sa2为高电平时，rc-igbta1和rc-igbta2工作在二极管续流模式下。

图7表示当电流方向为负且调制信号sa2、sa3为高电平时，rc-igbta3工作在igbt开通模式下，rc-igbta2处于关断模式。

图8表示当电流方向为负且调制信号sa3、sa4为高电平时，rc-igbta3和rc-igbta4工作在igbt开通模式下。