一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯拓撲

邱世廣，李思光

(濱州學院 電氣工程系，山東 濱州　256603)

?

一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯拓撲

邱世廣，李思光

(濱州學院 電氣工程系，山東 濱州256603)

針對逆變器的器件故障較難準確定位的問題，提出一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯拓撲。利用該拓撲改變時使用的開關器件可對逆變器器件短路或開路故障進行準確定位，從而為逆變器的容錯控制提供依據。該拓撲可實現半橋臂替換，最多可對逆變器3個橋臂同時進行容錯控制。

三電平逆變器；容錯控制；半橋臂替換；四橋臂

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160930.0959.006.html

[1]提出了一種基于不對稱橋臂的三電平四橋臂容錯拓撲，冗余橋臂僅使用2只IGBT串聯，結構簡單，但每個IGBT需獨立承擔整個直流母線電壓。參考文獻[2]提出一種三電平三橋臂容錯控制方法，該方法將箝位二極管反并聯IGBT，若任一橋臂發生故障，可利用附加IGBT將故障相直接接到直流母線中點，但此時逆變器應降額運行。參考文獻[3]提出了一種具有電感型冗余橋臂的容錯拓撲，該拓撲的冗余橋臂在故障發生前具有保證逆變器母線中點電壓平衡的作用，故障發生后，可直接利用冗余橋臂替換故障橋臂，但該方法僅能實現對一個故障橋臂的替換。本文提出了一種三電平四橋臂故障容錯拓撲，該拓撲可實現對逆變器故障橋臂的半橋臂替換，最多可對逆變器的3個橋臂同時進行容錯控制。

逆變器的器件故障較難準確定位，尤其是短路故障，亟需簡單可靠的故障檢測方法，利用熔斷器可將短路故障轉換為開路故障再定位，但較難準確計算熔斷器的熔斷值。參考文獻[4]提出了一種準確定位開路IGBT的方法，但實現較為復雜，參考文獻[5]提出通過檢測直流母線中點電壓偏移的方法定位開路IGBT，該方法簡單，但僅能對逆變器一相IGBT開路進行定位。在本文提出的容錯拓撲中，利用容錯控制時的附加器件，可實現對逆變器所有橋臂故障器件的準確定位，而且可以判定具體為短路故障還是開路故障。

1　三電平NPC逆變器主電路及容錯拓撲

1.1主電路

三電平NPC逆變器主電路如圖1所示，本文中的上、下橋臂均包含2只IGBT和1只箝位二極管，以a相為例，上橋臂包括Sa1，Sa2，VDa1，下橋臂包括Sa3，Sa4，VDa2。

圖1　三電平NPC逆變器主電路

三電平NPC逆變器的3種相輸出電壓對應其每相的3種工作狀態。以a相為例，設直流母線電壓為Ud，若Sa1，Sa2同時導通，則a相輸出電壓為Ud；若Sa2，Sa3同時導通，則a相輸出電壓為Ud/2；若Sa3，Sa4同時導通，則a相輸出電壓為0。

1.2容錯拓撲

三電平NPC逆變器四橋臂容錯拓撲如圖2所示，其中a相、b相、c相為逆變器的3個主橋臂，g相為逆變器的冗余橋臂。開關SxH，SxL(x=a,b,c)分別用于故障時斷開逆變器各主橋臂的上、下橋臂；開關Sx-gH，Sx-gL分別用于故障時將各相輸出至冗余橋臂的上、下橋臂；晶閘管Sx-o用于故障時將逆變器各相接至直流母線中點，晶閘管Sg-o在逆變器無故障時開通；逆變器可通過冗余橋臂實現直流母線中點電壓平衡控制，開關SgH-gL用于將冗余橋臂上、下橋臂分開進行故障替換。

圖2　三電平NPC逆變器四橋臂容錯拓撲

2　逆變器故障定位

若檢測到逆變器三相輸出側的電流異常，而逆變器直流母線電壓正常，則多為逆變器主電路故障，即逆變電路的IGBT或箝位二極管發生短路或開路故障，此時逆變器必須停止運行，自動完成故障定位與相應容錯控制后再繼續運行。本文提出的三電平NPC逆變器容錯拓撲可對逆變電路的故障器件定位至每一相的上、下橋臂，進而為逆變電路的容錯控制提供依據。為方便分析，以a相為例(b相、c相與a相類似)，設a相輸出電流為ia，母線中點輸出電流為io。

2.1短路故障定位

若Sa1與VDa1同時短路，Sa4與VDa2同時短路，Sa1—Sa4同時短路，即母線直流電容短路，短時間內會燒毀部分或全部短路功率器件，從而將短路故障變為開路故障。a相各功率開關器件短路故障定位方法見表1。

表1　a相各功率開關器件短路故障定位方法

2.2開路故障定位

a相IGBT開路故障定位方法見表2。若Sa1與Sa2正常，則需測試VDa1是否開路；若VDa1開路，還需替換a相上橋臂。VDa1開路測試方法：先開通開關Sg1，Sg2，Sg-o，對電感L1預通電，使其完成儲能，再開通SaH，Sa-gH，Sa2，關斷Sg1，Sg2。若a相電流傳感器能夠檢測到相應電流，則VDa1正常，否則a相上橋臂故障。同理，若Sa3與Sa4正常，則需測試VDa2是否開路，若VDa2開路，還需替換a相下橋臂。VDa2的測試方法與VDa1相似，只不過對L1預通電時應該先開通Sg3，Sg4，SgH-gL。

表2　a相IGBT開路故障定位方法

3　各工作狀態下的容錯拓撲

3.1逆變器無故障時的容錯拓撲

各開關的狀態：開關SaH，SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，SgH-gL全部閉合；開關Sa-gH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sg-o開通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o全部關斷。逆變器無故障時的容錯拓撲如圖3所示。

圖3　逆變器無故障時的容錯拓撲

若未檢測到逆變器故障，電路拓撲與參考文獻[3]提出的三相四橋臂容錯拓撲相同，通過控制Sg1，Sg2同時導通或Sg3，Sg4同時導通，可實現對逆變器母線中點電壓的平衡控制，而且在開關周期開始時電流為零，由主橋臂切換至冗余橋臂是在零電流條件下進行的，換相過程沒有開關損耗。

3.2單相半橋臂故障時的容錯拓撲

以a相上橋臂故障為例，各開關的狀態：開關SbH，ScH，SaL，SbL，ScL，Sa-gH全部閉合；開關SaH，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關斷。單相半橋臂故障時的容錯拓撲如圖4所示。

若通過前面提出的故障器件定位方法來確定任一相的上橋臂或下橋臂故障，則容錯拓撲可工作于圖4所示狀態，容錯控制后逆變器無需降額運行。

圖4　單相半橋臂故障時的容錯拓撲

3.3單相上、下橋臂故障時的容錯拓撲

各開關的狀態：開關SbH，ScH，SbL，ScL，Sa-gH，SgH-gL全部閉合；開關SaH，SaL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sb-gL，Sc-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關斷。單相上、下橋臂故障時的容錯拓撲如圖5所示。

圖5　單相上、下橋臂故障時的容錯拓撲

若通過前面提出的故障器件定位方法確定任一相的上橋臂和下橋臂故障，則容錯拓撲可工作于圖5所示狀態，容錯控制后逆變器無需降額運行。

3.4兩相半橋臂故障時的容錯拓撲

以a相上橋臂，b相下橋臂故障為例，各開關的開關狀態：開關SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sc-o，Sg-o全部關斷。兩相半橋臂故障時的容錯拓撲如圖6所示。

圖6　兩相半橋臂故障時的容錯拓撲

若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，則容錯拓撲可工作于圖6所示狀態，容錯控制后逆變器無需降額運行。由于冗余橋臂只可同時替換一個上橋臂和一個下橋臂，故若有兩相同時出現上橋臂故障或下橋臂故障，則冗余橋臂只可替換一個，另一個可參考三相故障時的容錯控制方法，將故障橋臂直接連接到逆變器直流母線中點，但此時逆變器需降額運行。

3.5三相故障時的容錯拓撲

以a相上橋臂、b相下橋臂、c相故障為例，各開關的開關狀態：開關SbH，ScH，SaL，ScL，Sa-gH，Sb-gL全部閉合；開關SaH，SbL，Sb-gH，Sc-gH，Sa-gL，Sc-gL，SgH-gL全部斷開；雙向晶閘管Sc-o導通；雙向晶閘管Sa-o，Sb-o，Sg-o全部關斷。三相故障時的容錯拓撲如圖7所示。

圖7　三相故障時的容錯拓撲

若確定逆變器其中一相的上橋臂、另一相的下橋臂均有故障器件，剩余一相也有故障器件，則容錯拓撲可工作于圖7所示狀態。此時c相直接連接到逆變器直流母線中點，參考文獻[6-8]對該故障容錯方法進行了研究，容錯控制后逆變器控制時需調整a相、b相的相角，而且容錯控制后逆變器應降額運行。

4　結語

提出了一種可實現半橋臂替換的三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯拓撲，利用該拓撲改變時使用的開關器件可對逆變器短路或開路故障進行準確

定位，從而為逆變器的容錯控制提供依據。該容錯拓撲實現了以下功能：含有一個冗余橋臂，若逆變器無故障，則通過對該冗余橋臂的控制，可實現對三電平NPC逆變器中點電壓平衡的控制；可實現對逆變器中出現故障的上橋臂和下橋臂分別進行替換，也可實現整個橋臂替換；若逆變器出現2個上橋臂或下橋臂同時故障，該容錯拓撲可通過容錯控制保證逆變器繼續工作，但此時需要將其中一個故障橋臂的輸出接至逆變器直流母線中點，逆變器也需降額運行；最多可實現對逆變器三相出現故障時的容錯控制，但逆變器需降額運行。

參考文獻：

[1]陳丹江,葉銀忠,華容.NPC三電平逆變器容錯拓撲及其控制研究[J].控制工程,2014,21(2):258-262.

[2]LI J,HUANG A Q,BHATTACHARYA S,et al.Three-level active neutral-point-clamped converter with fault tolerant ability[C]//Applied Power Electronics Conference and Exposition,2009.

[3]CEBALLOS S,POU J,ZARAGOZA J,et al.Soft-switching topology for a fault-tolerant neutral-point-clamped converter[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Vigo,Spain,2007.

[4]賞吳俊,何正友,胡海濤,等.基于IGBT輸出功率的逆變器開路故障診斷方法[J].電網技術,2013,37(4):1140-1145.

[5]邱世廣,李梅.一種三電平NPC逆變器IGBT開路判別方法[J].工礦自動化,2014,40(9):99-102.

[6]LI S,XU L.Strategies of fault tolerant operation for three-level PWM inverters[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2006,21(4):933-940.

[7]FARNESI S,FAZIO P,MARCHESONI M.A new fault tolerant NPC converter system for high power induction motor drives[C]//IEEE International Symposium on Diagnostics for Electric Machines,Bologna,2011.

[8]徐帥,張建忠.多電平電壓源型逆變器的容錯技術綜述[J].電工技術學報,2015,30(21):39-50.

A fault-tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter

QIU Shiguang,LI Siguang

(Department of Electrical Engineering,Binzhou University,Binzhou 256603,China)

In view of problem that it is difficult to accurately locate device failure of inverter,a fault tolerance topology of three-level four-leg NPC inverter was proposed.In the topology,short-circuit fault and open-circuit fault can be located accurately by switching device used when topology changes,so as to provide a basis for fault-tolerant control of inverter.The topology enables half-leg replacement,and can achieve fault-tolerant control of up to three inverter legs at the same time.

three-level inverter; fault-tolerant control; replacement of half-leg; four-leg

1671-251X(2016)10-0070-04DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.10.016

邱世廣，李思光.一種三電平NPC逆變器四橋臂故障容錯拓撲[J].工礦自動化，2016,42(10)：70-73.

2016-06-14；

2016-08-22；責任編輯：胡嫻。

國家安全監管總局2015安全生產重大事故防治關鍵技術科技項目(shandong-0056-2015AQ)；濱州學院青年人才創新工程科研基金項目(BZXYQNLG201204)。

邱世廣(1981-)，男，山東諸城人，碩士研究生，主要研究方向為中高壓變頻器、多電平變換器，E-mail:qiusg1980@126.com。

TD608

A網絡出版時間：2016-09-30 09:59

0引言

近年來，隨著電力電子器件制造技術的進步和控制技術的發展，以三電平NPC逆變器為代表的多電平逆變器得到了越來越多的應用。但由于應用三電平逆變器的電力電子器件數目較兩電平逆變器多2倍，所以三電平逆變器的故障更多。而工業現場對于逆變器的可靠性要求越來越高，因此，具有合適的容錯控制技術對于多電平逆變器的應用和推廣具有重要的意義。