复合母排中点电流的研究

邓晨，潘启军，黄垂兵，吴文力

复合母排中点电流的研究

邓晨，潘启军，黄垂兵，吴文力

(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)

本文以NPC三电平逆变器为例，研究了复合母排端口参数矩阵的提取方法及复合母排多端口电路模型的建模方法，并且利用母排多端口模型搭建了NPC三电平逆变器的仿真系统。根据中点电流的形成原理以及震荡的机理，分析了逆变器元件的杂散参数对中点电流的影响。测结果验证了仿真计算的可靠性与有效性，该分析和仿真计算方法可用于指导复合母排的参数计算与优化设计。

复合母排 逆变器 多端口模型 中点电流 仿真计算

0 引言

随着大容量电能变换技术的发展，复合母排得以广泛应用[1-6]。然而，由于复合母排和功率器件都存在杂散参数，其中杂散电感除了会在开关器件动作时形成过电压尖峰外，还会与输出电流作用在电容母排与传输母排的中点形成振荡电流，加大了电流峰值，增加了高频损耗。

另一方面，精确的计算机电路仿真不仅能对设计进行有效检验，提高分析和设计能力，还可以与实物试制和调试相互补充，最大限度地降低设计成本，缩短系统研制周期。

本文以NPC三电平逆变器为例，利用多端口模型的原理在Ansoft Q3D软件中提取出描述母排特性的多端口模型，计算了母排相关杂散参数，从而得到复合母排中点电流的仿真数据，并通过实验数据对仿真数据进行验证。

1 复合母排中点电流的形成

逆变器电路联接关系如图1所示，其功率电路主要包括三大部分：以电容母排为主的支撑电容单元，共1块；以功率传输母排为主的能量传输单元，联接支撑电容与功率半桥单元，共1块；以IGBT母排为主的功率半桥单元，主要有A相、B相、C相和制动单元，共4块。直流电源通过直流母线连接到电容母排，再通过汇流排（中点）和熔断器（正负极）连接到传输母排，最后连接到三相IGBT母排和制动单元母排。除了主电路外，还有PWM驱动信号产生电路及负载电路。

图1 逆变器电路连接关系图

三相三电平逆变器的每相都有P、O、N三种开关状态，将三相的开关状态相互组合则能输出3×3=27种不同的状态，按照空间矢量的定义及基本矢量幅值的不同，可将27个矢量进行如表1所示进行分类。

表1 三电平逆变器基本矢量分类表

表1中开关输出状态第一个字母表示A相输出状态，第二个表示B相的输出，第三个表示C相的输出状态。由于长矢量开关状态的每相是直接接到母线的正端或负端，因此它的中线不会有电流，就不会影响中点电压的平衡；对于三个零矢量开关状态而言，因为逆变器在零矢量状态时不工作，所以零矢量对中点电压也没有影响[7,8]，如图2所示。

而中矢量和短矢量的开关状态至少有一相负载与电容母排中点相连，并和正或负母线形成回路，如图3所示。

这18个开关状态（12个短矢量开关状态和6个中矢量开关状态）作用的任意时刻，流入或流出中点电流的绝对值一定等于某相电流i的绝对值，表2给出了这18个开关状态对电容母排中点电流o影响的具体情况。

图2 长矢量和零矢量对中点电流的影响

图3 中矢量和短矢量对中点电流的影响

表2 不同开关状态下的中点电流

综上所述，三相三电平中点电流是由开关决定的，在不同的开关状态下，其瞬间值等于某一相的输出电流。

2 复合母排中点电流震荡机理

实际的逆变器电路包含用于缓冲吸收的电容及大量的寄生分布参数，主要包括：

1）支撑电容器C1及其分布电阻ESR1和分布电感ESL1；

2）电容母排吸收电容C2及其分布电阻ESR2和分布电感ESL2；

3）电容母排到传输母排的分布电阻Rbus1及电感Lbus1（含连接铜排和熔断器）；

4）传输母排的吸收电容C3及其分布电阻ESR3和分布电感ESL3；

5）传输母排到IGBT母排的分布电阻Rbus2和分布电感Lbus2；

6）IGBT母排的吸收电容C4及其分布电阻ESR4和分布电感ESL4。

以表2的中POO开关状态为例，加入电路的分布参数（由于同一类分布参数具有相似性，图中的分布参数代表某一类器件或线路）可得到如图4所示的电流回路。

图4 带分布参数的POO状态时回路示意图

从图4可以看出，由于PWM动作产生丰富的高次谐波成分，在POO状态时AT1和AT2的开关动作形成的电流为电路提供激励源使电路产生阶跃响应。若用开关管的开关电流等效为激励电流源，将图4中的RLC进行串并联的简化可得到如图5所示的二阶电路。

图5 POO状态时电流的回路等效电路

图5中R为等效电阻，为支撑电容与传输母排联接端到IGBT吸收电容之间总的回路电阻；L为等效电感，为支撑电容与传输母排联接端到IGBT吸收电容之间总的回路电感，C为等效电容，为支撑电容与传输母排联接端到IGBT吸收电容之间总的并联电容。

由图5可知，只要有PWM开关动作，就会产生高频激励源，由于支撑电容、吸收电容、分布电阻和分布电感等参数的存在，且这些参数满足一定关系电路中的电流就会产生振荡。

3 复合母排多端口模型的建模

复合母排因集成安装了诸如支撑电容、吸收电容和IGBT及二极管等功率器件，端口多，结构非常复杂。但将端口与端口间孤立来看不外乎电阻、分布电感及电容等关系，如果能将复合母排每个端口的关系都运用电路仿真语言描述出来，对应相应的电路元件符号，就可以建立复合母排的电路仿真模型。

本文运用Ansoft Q3D软件，提取了复合母排各端口参数矩阵，将其输出为Pspice电路模型，再将Pspice模型转化成Saber电路模型。

在Ansoft Q3D中分别建立电容母排、传输母排和IGBT母排（功率器件母排）模型，根据上述方法对三种母排进行信号加载，以电容母排的加载为例，如图6所示。

图6 电容母排端口的加载

图6中Sink_Ain、Sink_Bin、Sink_Cin为直流正极、负极和中点的进线端；Source_Aout、Source_Bout、Source_C1out、Source_C2out和Source_C3out为连接传输母排的出线端；Source_Cap_A1到Source_Cap_A4为两个上支撑电容的正极连接端；Source_Cap_C1到Source_Cap_C8为四个支撑电容的中点连接端；Source_Cap_B1到Source_Cap_B4为两个下支撑电容的负极连接端。

将复合母排各端口加载完成后，在Ansoft Q3D中计算模型的、、参数，即可得到复合母排多端口参数矩阵，然后在Ansoft Q3D中的输出*.Cir的等效电路模型文件。可在Pspise的Model Editor新建一个元件模型，将*. Cir文件导入, 生成后缀名为.Lib的模型文件和后缀名为.olb的多端口电路模型。在得到复合母排的Pspise多端口仿真模型后，利用Saber提供的Nspito工具可以将Pspice模型转成Saber模型。先将后缀名为.Lib的模型文件转化为后缀名为.Sin的Saber中仿真所用的MAST语言文件。在完成*.Sin文件的转化完成后，需要在SaberSketch中为多端口模型建立后缀名为.ai_sym符号文件,将符号的名字存为模型的名字，并和模型后缀名为.sin文件保存在同一目录下，以便软件自动为符号和模型建立映射关系。只要映射关系正确就可以在Saber仿真中直接调用复合母排的多端口模型。

4 复合母排中点电流震荡的仿真与验证

根据第3节所述的复合母排中点电流震荡机理以及二阶电路的原理可知当等效回路图5中的参数满足：

回路中的电路即产生振荡，其振荡周期为：

根据支撑电容、吸收电容和熔断器的参数手册及复合母排仿真计算结果得到R=0.1226 mΩ，L=1.2298 nH，C=98.78 mF。根据式（2）计算可得到振荡周期为=82.89 µs。

图7为逆变器正极熔断器下方、负极熔断器上方中点铜排实测电流波形，其振荡周期约为82 μs。

由此可见仿真计算出的数据=82.89 µs，与实测的82 µs基本吻合。

5 结论

本文以NPC三电平逆变器为例，研究了复合母排端口参数矩阵的提取方法及复合母排多端口电路模型的建模方法，分别建立了复合母排多端口Saber仿真模型，并且利用母排多端口模型搭建了NPC三电平逆变器的仿真系统，根据中点电流的形成原理以及震荡的机理，分析了逆变器元件的杂散参数对中点电流的影响，通过实测数据与仿真数据的对比验证了模型的有效性，为逆变器的优化设计提供了依据。

图7 电容母排中点电流时域波形

[1] Sldbinski G L, Divan D M．Design methodology and modeling of low inductance planar bus structures[C]. European Conference on Power Electronics and Applications, England, Brighton, 1993, 3: 98-105．

[2] ZHAO Zheng-ming, ZHANG Hai-tao, YUAN Li-qiang, et al. Failure mechanism and protection strategy of high voltage three-level inverter based on IGCT[J]. Transactions of China Electro-technical Society, 2006, 21(5): 1-6.

[3] 王正元, 张正南. 迭层功率母线及其在电力电子装置中的应用[J]. 电力电子, 2003, 1(2): 36-38.

[4] 吴励坚. 大电流母线的理论基础与设计[M]. 北京: 电力工业出版社, 1984．

[5] 张燕. 功率母线感抗和阻抗的分析与估算[J]. 军事通信技术, 2007, 28(3): 68-70．

[6] 刘鹿生. 叠层功率母线[J]. 电力电子, 2003, 1(2): 39-41.

[7] Rangarajan M T, Rajendra N, Thomas A N. A carrier-based PWM scheme for neutral-point voltage balancing in three-level inverters[J]. IEEE transactions on industry applications, 2005, 41(6): 1734-1743．

[8] 童鸣. 三电平NPC逆变器中点电位波动的研究[D]. 合肥: 合肥工业大学, 2009.

Study on Midpoint Current of Compound Busbar

Deng Chen, Pan Qijun, Huang Chuibing, Wu Wenli

(National Key Laboratory for Vessel Integrated Power System Technology, Naval University of Engineering, Wuhan 430033 China)

TM72

A

1003-4862（2014）02-0038-04

2013-05-16

国家重点基础研究发展计划973项目（2013CB035601）和国家自然科学基金项目（51077129）

邓晨（1990-）, 男，研究生。研究方向：电力电子与电力传动。