1、2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211734 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 赵 楠 郑泽东 刘建伟 李 驰 李永东（电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机工程与应用电子技术系）北京 100084）摘要 级联 H 桥变换器包含了大量的开关器件，往往面临严峻的可靠性问题。该文从电路特性和调制过程两方面对级联 H 桥
2、变换器 IGBT 开路故障的影响规律进行分析，并提出一种基于调制重构的级联 H 桥变换器 IGBT 故障冗余方法。该故障冗余方法通过重构变换器调制过程，使 H桥从故障中恢复运行，且发生开路故障的单元依然具有部分功率传输能力，提高了级联 H 桥变换器开路故障的处理能力。关键词：级联 H 桥变换器 开路故障分析 冗余方法 调制重构 中图分类号：TM461 0 引言 级联 H 桥变换器是一类采用多单元级联技术实现高压大功率电能转换的变换器，经常被应用于电力电子变压器、高压逆变器中1-3，其示意图如图 1所示。图 1 级联 H 桥变换器示意图 Fig.1 Topology of a H-bridge
3、converter 对于多单元级联型变换器，其包含了大量的功率器件，因此往往面临严峻的可靠性问题。在发生故障后，首先需要故障检测方法对故障进行判断与定位，然后利用故障冗余保护方法将故障切除。目前关于级联型变换器的故障诊断方法相对成熟，能够有效地识别级联 H 变换器的开路故障4-5。故障冗余方法大致可分为两类：系统级故障冗余与部件级故障冗余6。系统级故障冗余会额外设置多个冗余单元，一旦发生故障则将利用冗余单元代替故障单元。部件级故障冗余研究单元本身，通过调整电路拓扑结构或重构调制方式，提高每个单元的故障冗余能力。在系统级故障冗余方面，通常利用快速短路开关将 H 桥变换器的故障单元切除，并将正常单
4、元投入工作7-8。为了扩大故障后变换器的运行区间，提高电压利用率以及功率因数，除了通过直接切除故障单元保证系统平衡外，还可以采用直流侧电压调整9、热备份冗余单元10等方案。然而，系统级冗余方法面临成本增加、效率降低、控制难度增大等问题，当备用单元由于故障而全部投入使用后，再发生故障系统就会面临停机的危险。因此，需要部件级故障冗余方法配合。在部件级故障冗余方面，通常会针对单个变换器进行改进或重构，通过增加冗余开关器件11、冗余开关桥臂12，甚至改变电路拓扑结构13达到提升单个变换器冗余性能的目的。通过此类冗余方法，确实可以在故障后提高变换器的可靠性，但在多单元级联的拓扑结构中，其成本也会相应增加
5、。因此，也有很多研究试图在不改变拓扑结构的情况下，通 广东省重点领域研发计划资助项目（2020B0909030003）。收稿日期 2021-10-29 改稿日期 2022-02-10 第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1609 过调整调制方式来扩大变换器的工作范围。比如通过对故障后开关器件脉冲进行重构，使变换器依然保持一定的运行能力14。目前针对级联 H 桥变换器的故障冗余研究依然不充分，往往集中于系统级冗余方案，当未设置冗余单元，或者冗余单元已经被使用时，级联 H 桥系统无法应对继续发生的故障。本文通过对 IGBT 开路故障进行分析，
6、提出一种级联 H 桥变换器部件级冗余方法，通过重构不同区间下调制波情况，保证级联 H 桥单元在故障后依然能够输出部分功率，扩大变换器的运行范围，同时不会引起网侧电流畸变。1 IGBT 开路故障分析 为了研究级联 H 桥电路的故障冗余方法，首先要研究 IGBT 故障对 H 桥变换器工作特性的影响。单个 H 桥单元是一个四象限变流器（不含输入电感），VT1VT4依次为全桥电路的四支 IGBT，VD1VD4为其对应的反并联二极管。规定从桥 a 流入四象限变流器的电流方向为正方向。当电路正常运行时，四象限变流器一共包含四种工作状态，如图 2 所示。一个桥臂中的上、下开关管互补导通，根据桥臂 a 与桥臂
7、 b 开关管状态不同，将四象限变流器工作状态划分为状态状态。状态下，VT1和 VT3施加导通信号，VT2和VT4施加关断信号，此时 VT1和 VT3导通，VT2和VT4关断，正向的输入电流通过 VD1与 VT3续流，而反向的电流流经 VT1与 VD3，此时端口电压为0V。状态下，VT1和 VT4导通，VT2和 VT3关断时，正向的输入电流流经 VD1、直流侧电容和 VD4，而反向的电流流经 VT1、直流侧电容和 VT4，此时 图 2 单个 H 桥单元正常工作下的四种状态 Fig.2 Four normal working conditions of a H-bridge converter u
8、nit 端口电压为+udc。状态下，VT2和 VT3导通，VT1和 VT4关断时，正向的输入电流流经 VT2、直流侧电容和 VT3，而反向的电流流经 VD2、直流侧电容和 VD3，此时端口电压为-udc。在状态下，VT2和VT4导通，VT1和 VT3关断时，正向的输入电流通过 VT2和 VD4续流，而反向的电流流经 VD2和 VT4，此时端口电压仍为 0V。为了分析 VT1开路故障的影响，将 VT1设定为开路，同时在电流正向和反向情况下分别分析状态状态。当电流正向时，VT1开路故障下四象限变流器的运行状态状态如图 3a图 3d 所示。在状态与状态中，当 VT1导通、VT2关断时，正向电流会强迫
9、 VD1导通续流，此时虽然 VT1开关管发生了开路故障，但是 VT1支路依然相当于导通状态，因此，交流端口电压并没有发生改变，与正常工作时相同；状态的端口电压为 0V，状态的端口电压为+udc。在状态和状态中，VT2导通而 VT1关断，电流通过 VT2续流，此时工作状态和正常工作 图 3 单个 H 桥单元 VT1故障下的工作状态 Fig.3 Working conditions under VT1 fault 1610 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 时相同，交流端口电压依然保持不变；状态的端口电压为-udc，状态的端口电压为 0V。当电流反向时，四象限变流器的工作情况发生了变化
10、，如图 3e图 3h 所示。在状态和状态下，本应 VT1导通、VT2关断，但由于 VT1发生开路故障，该支路无法流过电流，因此只能通过 VD2续流，VT2支路被迫导通，四象限变流器的工作情况发生了改变。在这种情况下，状态的端口电压从 0V 变为-udc，状态的端口电压从+udc变为 0V。在状态和状态时，VT2导通而 VT1关断，反向电流通过二极管 VD2续流，工作状态不发生改变；状态的端口电压为-udc，状态的端口电压为 0V。总之，VT1故障仅会在电流反向情况下改变四象限变流器的工作情况，状态和状态的端口电压分别从 0V和+udc变为-udc和 0V。VT2发生开路故障后的电路各状态如图
11、4所示，其中图 4a图 4d 为电流正向情况下的波形，图 4e图 4h 为电流反向情况下的波形。与 VT1故障相反，VT2故障会影响电流正向情况下状态及状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常 图 4 单个 H 桥单元 VT2故障下的工作状态 Fig.4 Working conditions under VT2 fault 情况下的-udc和 0V 变为 0V 和+udc。VT3发生开路故障后的电路各状态如图 5所示。VT3故障主要影响电流正向情况下状态和状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常情况下的 0V 和-udc变为+udc和 0V。VT3故障不会影响电流正向下状态和状态的
12、工作情况，同样也不影响电流反向情况下状态状态的工作情况。图 5 单个 H 桥单元 VT3故障下的工作状态 Fig.5 Working conditions under VT3 fault VT4发生开路故障后的电路各状态如图 6所示。与 VT3故障相反，VT4故障会影响电流反向情况下状态和状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常情况下的+udc和 0V 变为 0V 和-udc。经整理，VT1VT4开关管故障后对电路的影响见表 1。第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1611 图 6 单个 H 桥单元 VT4故障下的工作状态 Fig.
13、6 Working conditions under VT4 fault 表 1 VT1VT4故障对电压的影响规律表 Tab.1 Influence of VT1-VT4 fault on voltage 电路状态 状态 状态 状态 状态桥 a 1 1 0 0 桥 b 1 0 1 0 实际 0V+udc-udc 0V VT1故障+ig 0V+udc-udc 0V-ig-udc 0V-udc 0V VT2故障+ig 0V+udc 0V+udc-ig 0V+udc-udc 0V VT3故障+ig+udc+udc 0V 0V-ig 0V+udc-udc 0V VT4故障+ig 0V+udc-udc
14、0V-ig 0V 0V-udc-udc 2 IGBT 故障对脉冲宽度调制电压影响分析 IGBT 故障会导致某些状态下故障单元的端口电压发生变化，在实际调制过程中产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modula,PWM）电压，其冲量与原始的控制电压并不相同，加在电感上的电压发生变化，引起输入电流畸变与功率波动。为了更好地分析 IGBT 故障对 PWM 电压的影响，依据电流和电压的正负情况，将级联 H 桥一个周期的运行情况分为四个区间，如图 7 所示。其中，ig为输入电流波形，uconv为交流侧控制电压波形（或PWM 电压的基波分量）。区间为输入电流正向且交流侧控制电压波形反向，区间为输入电
15、流正向且交流侧控制电压波形正向，区间为输入电流反向且交流侧控制电压波形正向，区间为输入电流反向且交流侧控制电压波形反向。图 7 级联 H 桥运行区间 Fig.7 Working aeras of H-bridge converter 为了提高等效开关频率，实际调制过程中通常会采用单极性调制的方法。各单元调制波与交流侧控制电压的相位保持一致。取一个开关周期下的PWM 电压进行分析，不同的 IGBT 故障对 PWM 电压的影响如图 8 所示。状态状态对应四象限变流器的四种工作状态，区间是依据不同的电流方向和交流侧控制电压划分的四个运行区间。图 8 不同 IGBT 故障对 PWM 电压的影响 Fig
16、.8 Influences of different IGBT faults on PWM voltage 在正常工作情况下，运行在、区间（交流侧控制电压为正）时，桥臂 a 调制波高于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器会依次工作在五种状态，输出两个高电平脉冲电压。运行 1612 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 在、区间（交流侧控制电压为负）时，桥臂 a 调制波低于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器会依次工作在五种状态，输出两低电平脉冲电压。根据冲量等效原则，正常情况下四象限变流器单元输出的等效 PWM 电压值 uconvi,nor为 convconv,noriuun=（1）式中，uconvi,nor为第 i 个单元正常情况下的 PWM 电压值；uconv为级联 H 桥变换器交流侧控制电压波形；n 为单元数。由于 VT1故障仅在电流反向时对各电路产生影响，因此只有区间和区间的 PWM 电压波形发生改变。在区间内，桥臂 a 调制波高于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器同样会依次工作在五种状态。由于 VT1故障时状态和状态的端口电压分别从 0V 和+udc变为-udc和 0V，