三相IGBT逆变器中的尖峰电压分析

第４４卷第１０期　２０１０年１０月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１０　Ｏｃｔｏｂｅｒ　２０１０　

三相ＩＧＢＴ逆变器中的尖峰电压分析　

郭彝　，李思奇　，蒋晓华　，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ　Ｉｓｏｂｅ　

（１．清华大学，北京１０００８４；２．三菱重工名古屋研究所，日本名古屋４５３８５１５）　

摘要：母线排的杂散电感和开关过程中较大的ｄｉ／ｄｔ会在ＩＧＢＴ上引起很高的尖峰电压，从而增加了逆变器的开　

关损耗，降低了可靠性。提出针对三相ＩＧＢＴ逆变器中尖峰电压的分析方法。首先利用有限元法对三相ＩＧＢＴ逆　变器中两种不同类型母线排建模，分析提取母线排的杂散参数，接着在ＰＳｐｉｃｅ中建立逆变器各部分等效电路　模型．利用该模型对ＩＧＢＴ逆变器中的尖峰电压进行仿真分析。实验研究表明，在不同负载电流下，仿真和实测　尖峰电压在峰值和波形上都具有良好的符合度，表明该方法能够较准确地分析和预测逆变器中的尖峰电压。　关键词：逆变器；尖峰电压；母线排；杂散电感　中图分类号：ＴＭ４６４　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１０）１０—００９１一Ｏ３　

Ｔｈｅ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｕｒｇｅ　Ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　Ｔｈｒｅｅ—ｐｈａｓｅ　ＩＧＢＴ　Ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　

ＧＵＯ　Ｂｅｎ　，ＬＩ　Ｓｉ．ｑｉ　，ＪＩＡＮＧ　Ｘｉａｏ．ｈｕａ　，Ｓｈｉｎｉｃｈｉ　Ｉｓｏｂｅ　

（１．Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｎａｇｏｙａ　Ｒ＆Ｄ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｌｔｄ．，Ｎａｇｏｙａ　４５３８５１５，Ｊａｐａｎ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐａｒａｓｉｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｓｂａｒ　ａｎｄ　ｌａｒｇｅ　ｄｉ／ｄｔ　ｄｕｒｉｎｇ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ｃａｕｓｅ　ｓｅｒｉｏｕｓ　ｓｕｒｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ．ｗｈｉｃｈ　ｉｎｃｒｅａｓｅ　ｅｘｔｒａ　ｌｏｓｓ　ａｎｄ　ｒｅｄｕｃｅ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｔｗｏ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｓｂａｒ　ｉｎ　ｔｈｒｅｅ—　ｐｈａｓｅ　ＩＧＢＴ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ａｒｅ　ｍｏｄｅｌｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＪＭＡＧ　ｓｏｆｔｗａｒｅ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ（ＦＥＡ）ｍｅｔｈｏｄ．　Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｐａｒａｓｉｔｉｃ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｓｂａｒ　ａｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｅｄ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｅ　ｉｎｖｅｒｔｅｒ　ｍｏｄｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｂｕｉｌｔ　ｗｉｔｈ　ＰＳｐｉｃｅ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｔｏ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｎ　ＩＧＢＴｓ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｌｏａｄ　ｃｕｒｒｅｎｔｓ．Ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｇｒｅｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｅｘ—　ｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｈｓ　ｗｅｌｌ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｉｓ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ａｎａｌｙｚｅ　ｔｈｅ　ｓｕｒｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｉｎ　ｉｎｖｅｒｔｅｒｓ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｓｕｒｇｅ　ｖｏｌｔａｇｅ；ｂｕｓｂａｒ；ｐａｒａｓｉｔｉｃ　ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ　

Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ　ｂｙ　Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ　Ｈｅａｖｙ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ　Ｌｔｄ．（Ｎｏ．０８—４１）　

１　引　言　

随着器件开关速度提升及功率增大，开关过　

程中ｄｉ／ｄｔ也越来越大。由于杂散电感的存在，逆　

变器中开关器件上会产生很高的尖峰电压．引起　

额外的开关损耗和严重的电磁干扰，甚至损坏器　

件。造成系统瘫痪『ｌ１。　

与普通线缆相比，母线排的杂散电感更小，故　

被广泛应用在大功率电力电子装置中【　。母线排　

杂散电感是逆变器中杂散电感的主要来源。目前　

主要有限元法及部分元等效电路法两种建模方法　

提取母线排杂散参数。前者相比后者应用范围更　

广，且有许多电磁场分析软件支持。　

基于所提取的母线排杂散参数．可对逆变器　

建立等效电路模型，用于逆变器的可靠性分析和　

ＥＭＣ设计［　】。　

基金项目：日本三菱重工基金资助项目（０８—４１）　

定稿日期：２０１０—０５—１７　作者简介：郭　彝（１９８５一），男，浙江衢州人，硕士研究生，　

研究方向为高性能电力电子变换器。　以三相ＩＧＢＴ逆变器为例，介绍了一种较为通　

用的尖峰电压分析方法。该方法首先利用有限元　

软件ＪＭＡＧ提取母线排杂散参数，接着在ＰＳｐｉｃｅ　

中建立逆变器等效电路模型用于分析尖峰电压．　

并搭建实验电路通过实验验证模型的准确性。在　

不同负载电流下．仿真和实验结果都较好吻合．表　

明该方法准确可行。　

２　三相ＩＧＢＴ逆变器中的母线排　

图１为三相ＩＧＢＴ逆变器电路示意图。其中Ｐ　

极和Ｎ极母线排用于连接直流电源和３个ＩＧＢＴ模　

块。ＩＧＢＴ模块采用６００　Ｖ／ＩＯ０　Ａ的ＣＭ１００ＤＹ一１２Ｈ。　

／母线排　Ｐ　

Ｕｄｃ　

Ｎ　—。—＇－－＿－一　

一　＋　Ⅵ堆Ｖ　Ｉ一　

Ｃ：　＝ｖ　ＶＴ６Ｊ　Ｖ　＿　

图１三相ＩＧＢＴ逆变器示意图　

利用两种不同类型的母线排验证所提出分析　

９１　第４４卷第ｌＯ期　２０１０年１Ｏ月　电力电子技术　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｖｏ１．４４．Ｎｏ．１０　０ｃｔｏｂｅｒ　２０１０　

方法的准确性，如图２所示。Ｔｙｐｅ　Ｉ是一种简单结　

构母线排，具有较小的杂散电感，而ＴｙｐｅⅡ是一　

种复杂结构母线排，具有较大的杂散电感。　

Ｎ极　

Ｐ极　

Ｕ　

ｓｍｍ　

（ｂ）１ｙｐｅ　ＩＩ　线．『；｛Ｉ＝　图２两种类型母线排结构　

３母线排杂散参数提取方法　

使用有限元建模软件ＪＭＡＧ中的“Ｂｕｓｂａｒ　Ｉｎ—　

ｄｕｃｔａｎｃｅ　Ｔｏｏｌ”工具对母线排进行建模并提取其杂　

散参数，首先必须验证该提取方法的准确性。　

由于母线排结构较复杂，很难直接测量其各　

段杂散参数，因此在验证过程中对母线排结构进　

行了一定简化。　

在母线排杂散参数提取中．首先对母线排进　

行３Ｄ建模。如图３ａ所示．接着对其进行网格剖　

分，如图３ｂ所示，并设置计算条件。　

９２　（ａ）母线排３Ｄ模　

ｆｂ）模型刚络剖分　图３　Ｔｙｐｅ　Ｉ母线排模型　将Ｐ极和Ｎ极母线排在Ａ处连接．通过仿真　

提取不同频率下Ｗ＋与Ｗ一两级之间的母线排杂　

散参数，并与实测结果进行比较。考虑到高频下电　

流分布具有趋肤效应，在计算中使用了表面阻抗边　

界条件。然后分别计算出在５０　Ｈｚ，１　ｋＨｚ，１００　ｋＨｚ。　

１　ＭＨｚ和１０　ＭＨｚ频率的１００　Ａｒｍｓ输入电流激励　

下的母线排杂散参数，并与实验结果进行比较．如　

图４所示。　

图４　仿真和实测母线排杂散参数　

可见，计算与实测结果非常接近．由于阻抗相　

角十分接近９Ｏ。，１０　ＭＨｚ下母线排杂散电阻难以　

通过测量得到精确值。此外。杂散电感在１　ＭＨｚ　

频率以上时基本不随频率变化．而逆变器中尖峰电　

压振荡频率大于１　ＭＨｚ．因此可使用ｌ　ＭＨｚ下提取　

的杂散电感用在对逆变器的尖峰电压分析中。　

４　三相ＩＧＢＴ逆变器建模　

建立了三相ＩＧＢＴ逆变器模型并提取其杂散　

参数，然后利用这些参数在ＰＳｐｉｃｅ中建立母线排　

等效电路模型，结合逆变器其他部分的模型，共同　

构成完整的逆变器模型。　

由于两种母线排的分析步骤基本一样，因此　

仅介绍其中一种母线排（Ｔｙｐｅ　Ｉ）的分析过程并给　

出两种母线排结构逆变器的仿真和实验结果。　

根据母线排的结构和电流路径，Ｔｙｐｅ　Ｉ母线　

排被分成了１０部分，即　ｍ。在ＪＭＡＧ中分别建　

立各部分的３Ｄ模型并连接起来，对其进行网络　

剖分。通过计算得到各部分的杂散参数。表１为杂　

散电感参数。其对角元素为各部分的自感，其他元　

素为各部分之间的互感。表２为母线排各部分的　

杂散电阻。　

利用表１。２中的杂散参数值，可建立Ｔｙｐｅ　Ｉ　

母线排的等效电路模型。由于表２中的杂散电阻　

值和回路中的其他杂散电阻（例如电容的ＥＳＲ）相　

比很小，所以在母线排模型中将其忽略以简化模　

型。利用ＰＳｐｉｃｅ中的电感模型来模拟母线排各部　

分的杂散电感以及他们之间的互感。　

Ｔ．．．，。，　。．．．．．　，，　。　三相ＩＧＢＴ逆变器中的尖峰电压分析　

表１　Ｔｙｐｅ　Ｉ母线排的杂散电感　

电阻，ｍＱ　０．６６７　０．６０５　０．８５９　０．８４３　０．４５１　

逆变器中其他部分也可利用ＰＳｐｉｃｅ进行建　

模。ＰＳｐｉｃｅ模型主要包括ＩＧＢＴ，反并联二极管和　

封装杂散电感３个部分。ＰＳｐｉｃｅ的模型库中带有　

这里所使用的ＣＭ１００ＤＹ一１２Ｈ模块中的ＩＧＢＴ模　

型，可直接调用。但实际仿真中发现该模型的反向　

导电特性和实际管特性不符．因此在其上串入一　

个近似理想的二极管来改善模型的反向特性．取　

得较好的效果。　

根据二极管外特性．在“ＰＳｐｉｃｅ　Ｍｏｄｅｌ　Ｅｄｉｔｏｒ”　

工具中对续流二极管进行功能建模。另外，ＩＧＢＴ　

模块封装也存在一定的杂散电感，当母线排杂散　

电感较小时，该杂散电感不能被忽略【５】　

将各部分模型连接，最终得三相ＩＧＢＴ逆变器　

的ＰＳｐｉｃｅ等效模型。该逆变器模型一些基本参数　

如下：直流电源　＝５０　Ｖ；导线电感Ｌ　＝５００　ｎＨ；　

电源内阻Ｒ　＝５０　ｍＱ；直流电容ｃ＝１０　ｍＦ；电容　

ＥＳＲ＝３０．８　ｍＱ；电容ＥＳＬ＝４．２４　ｎＨ；负载电阻ＲＩ：　

０．２　Ｑ；负载电感Ｌ　＝５５０　ｎＨ；ＩＧＢＴ模块封装杂散电　

感Ｌｃ１＝１５　ｎＨ，Ｌ　＝１３　ｎＨ，￡　＝１０　ｎＨ。其中ＩＧＢＴ　

模块封装杂散电感是通过估算得到的，其他参数　

均利用阻抗分析仪测量实际元件得到。　在该模型基础上，设置不同的负载电流条件　

对ＩＧＢＴ上的尖峰电压进行仿真分析。　

５仿真与实验结果　

为验证模型的准确性，搭建了使用不同结构　

母线排（Ｔｖｐｅ　Ｉ和Ｔｙｐｅ　１１）的三相ＩＧＢＴ逆变电路　

并测量了不同负载电流下ＩＧＢＴ的关断尖峰电压。　

实验过程中，各ＩＧＢＴ的ＰＷＭ信号占空比固　

定。如当测量ＶＴ２上尖峰电压时，Ｖ　Ｔ】和ｖＴ３始终处　

于开通状态，ＶＴ４和Ｖ　一直关断，而ＶＴ　的ＰＷＭ　

信号占空比固定为３．５％。ＰＷＭ频率为１０　ｋＨｚ　

图５示出在不同负载电流下，ＶＴ２上仿真和测　

量的尖峰电压波形比较。由图可见两者非常接近。　

，／ｕｓ　（ａ）７０Ａ，Ｔｙｐｅ　ｌ母线排　２ＯＯ　Ｉ　５０　＞ｌ　００　５０　０　５Ｏ　ｌ　５　２　ｔ／ｌ￣Ｓ　（ｂ）１４０Ａ，Ｔｙｐｅ　Ｉ母线排　

｛　ｓ　ｆｆｕｓ　（ｃ）７ｏＡ，ＴｙｐｅＩＩ母线排　（ｄ）Ｉ４０Ａ，ＴｙｐｅＩＩ母线排　图５　Ｖｒｒ２关断尖峰电压波形　

尖峰电压的峰值是另一个十分重要的指标。　

表３，４给出了仿真和实验得到的ＶＴ　，ＶＴ　和ＶＴ　

上尖峰电压的峰值。通过比较可得，仿真结果和实　

验结果的偏差在１０％以内。　

表３尖峰电压峰值（Ｔｙｐｅ　Ｉ母线排）　

表４尖峰电压峰值（Ｔｙｐｅ　ＩＩ母线排）