[发明专利]一种变换器的控制装置及驱动方法

说明书

[技术领域]

本发明涉及变换器的控制技术领域，尤其涉及一种变换器的控制装置及驱动方法。

[背景技术]

多电平变换器通常是采用器件串联并结合适当的控制策略，来有效降低器件的耐压等级，降低输出电压或电流谐波成份，节省滤波器的成本。鉴于其独特的性能优势，多电平变换器自80年代前后诞生至今，已在中压变频器、UPS、直直变换电源等多个领域获得越来越广泛的应用。

众所周知，多器件串联方式，控制逻辑相对复杂，而其关键问题是串联器件的均压问题。目前常用的解决方案主要有二极管中点箝位(NPC)法、飞跨电容箝位法等，尤其以二极管中点箝位法多电平逆变器在UPS、变频器中的应用最为广泛。

如图1所示，为二极管中点箝位型单相三电平逆变器的主电路图。在电路中，为了有效实现器件均压控制，无论采用何种控制逻辑，都应保证内侧功率管(图1中S2和S3)先于外侧功率管(图1中S1和S4)开通，而后于外侧功率管关断。同时，为了防止同一桥臂出现三个功率管同时导通而引起母线短路问题，S1和S3信号之间必须设定合理的死区时间，S2和S4信号之间也必须设定合理的死区时间。

在公开技术中，图2和图3为三电平逆变器普遍采用的一种驱动及保护方案，其中，图2为三电平逆变器驱动控制电路框图，图3为三电平逆变器功率管的驱动信号示意图。S1和S3信号之间的死区如图3中所示。该方案典型的特征在于：

1、保护电路的作用位置放在延时驱动电路组之后；

2、延时驱动电路组实现S1和S3信号互补，S2和S4信号互补，当S1和S3高频调制时，S2保持常通，而S4保持常断；当S2和S4高频调制时，S3保持常通，而S1保持常断；

3、功率管门极驱动参数对应一致。

该驱动方案能够降低功率管的开关损耗，但不能彻底克服桥臂器件的不均压问题，其原因如下：

由于保护电路信号作用位置在延时驱动电路组的后级，对二极管中点箝位型三电平逆变器而言，一旦保护信号的作用时刻发生于S1和S2(或S3和S4)都是导通的阶段(如4图中的A或B时刻)，而在实际应用中S1至S4器件参数不可能完全一致，因而器件开关速度也不可能完全一致，而且延时保护逻辑又不起作用，则S1会出现先于S2开通或后于S2关断的现象，破坏了“S2先于S1开通而后于S1关断”的条件，从而使得S1和S2(或S3和S4)之间承受的电压应力严重不均衡，其中，内侧功率管承受的电压应力远远大于单边母线电压(E/2)，甚至承受总母线电压(E)，丧失了三电平变换器的优势。

内侧功率管承受的电压应力为总母线电压(E)的机理如下：以图1所示电路为例，当电路保护时，驱动信号被封锁，主电路桥臂上的四个器件S1、S2、S3、S4的门极控制信号会同时关闭，此时S1、S2、S3、S4均被强迫关断，但是由于这些器件的参数不可能完全一致，它们的关断过程也不可能完全同步，总会出现某个器件先关断或后关断，如果先关断的器件是S2，而此时流过电感Lf的电流方向是从左到右，那么这个电感电流必然从D3、D4续流，使桥臂中点B处的电位为-E/2(假定母线中点N的电位为0V)，而此时S1仍然导通，也就是说S2的集电极A处的电位为E/2，因此，S2承受的断态电压就是E，而其他器件S1、S3、S4承受的断态电压为0伏，从而出现电压应力(即：断态电压)严重失衡(即：不平衡)。

除了在驱动信号封锁保护情况下会出现内外侧器件电压应力失衡的问题外，输出电压过零点会因突加负载等工况而出现紊乱，驱动控制信号也可能出现S1和S2(或S3和S4)同步开关而导致功率器件电压应力失衡，这是因为：当输出负载突然变化，输出电压突变(即上述的紊乱)时，使得调节器饱和，会使S1、S2、S3、S4均受到高频的驱动信号控制，而S1和S4的驱动信号之间不是高频互补的，而且两者之间也不存在固有的死区时间设定，这样得到的驱动波形实际上是S1和S2同步开关，S3和S4同步开关，S1和S3互补工作(有死区)，S2和S4互补工作(有死区)，破坏了“任何时刻内侧器件先于外侧器件开通而后于外侧器件关断”的控制逻辑，从而导致功率器件电压应力失衡。