基于IEGT的三電平變換器PWM脈沖調(diào)制研究

王青龍　孫健　劉剛　趙宇

摘 要： 為了滿足高電壓等級及大功率運行要求，提出一種新型的三電平變換器拓撲方案，采用NPP拓撲結構，功率器件采用IEGT串聯(lián)，該拓撲結構具有輸出電壓等級高、功率大、具備冗余功能等特點。在此對開關器件IEGT的結構特點進行介紹，對NPP型三電平拓撲結構和器件選型做出分析，針對該拓撲結構提出了三電平變換器的PWM脈沖調(diào)制方案，對PWM調(diào)制方案進行了分析，并在樣機通過小電流測試。試驗結果表明，IEGT脈沖調(diào)制方案具有開關頻率高、電能質量好等特點。

關鍵詞： 三電平變換器； 串聯(lián)； 脈沖調(diào)制； 電能質量

中圖分類號： TN773?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0142?03

Abstract： To meet the requirements of high?voltage grade and high?power operating， a novel three?level converter topology scheme is proposed， in which the NPP topology structure is adopted， and series IEGT is adopted in power device. The topology structure has the characteristics of high output voltage grade， high power， redundant function， etc. The structure characteristics of IEGT are introduced. The three?level topology structure of NPP and device selection are analyzed. The PWM pulse modulation scheme of three?level converter was designed according to the topology structure. The PWM modulation scheme is analyzed. The prototype passed small current test. The test results show that the PWM pulse modulation scheme based on IEGT has high switching frequency and good power quality.

Keywords： three?level converter； series； pulse modulation； power quality

0 引 言

IEGT是具有IGBT與GTO優(yōu)點的功率器件，其開關頻率高、通態(tài)壓降低、開關損耗小、運行區(qū)域寬，在高壓電力電子領域極具發(fā)展?jié)摿?。柔性輸電、高壓傳動變換器裝置都需要使用到4.5 kV電壓等級以上的開關器件。采用高壓IGBT設計大功率變換器，經(jīng)常使用H橋級聯(lián)、橋臂并聯(lián)等方案，使得產(chǎn)品功率器件多、拓撲結構復雜、體積大。使用IEGT方案，可實現(xiàn)元器件數(shù)量少、結構簡單，裝置的可靠性大大提高；門極驅動電流小，系統(tǒng)的損耗小，裝置的能量利用率較高[1?2]。電平變換器裝置中，國內(nèi)廠家應用IGBT器件較多，使用IEGT目前仍較少。主要是由IEGT不能國產(chǎn)化、IEGT驅動板卡依賴于國外、工程實踐少等原因造成的。

本文提出一種新型的三電平變換器拓撲結構，采用T型電路即NPP拓撲結構，其中功率器件采用IEGT。同時，研究了IEGT的PWM脈沖調(diào)制方案，通過制造樣機、實驗測試，表明本文的PWM脈沖調(diào)制方案具有頻率高、電能質量好的優(yōu)點。

1 NPP型三電平變換器的拓撲與器件選型

1.1 NPP型三電平變換器

NPP型三電平變換器采用的是T型電路，每相由6個開關管和6個續(xù)流二極管組成，其單相結構如圖1所示。由圖1可見，NPP型三電平拓撲結構的特點是：

（1） 每個開關管所承受的正向阻斷電壓為[Vdc4]，開關損耗降低為NPC拓撲結構的[12]。

（2） 通過功率開關管的串聯(lián)，可以很容易的輸出更高的額定電壓。

（3） NPP拓撲具有很好的冗余功能，當某一開關管損壞的情況下，可以通過降功率實現(xiàn)不停機運行。

1.2 IEGT器件的選型

本文以3 kV，6 MV·A三電平變換器為研究對象，計算額定電壓、電流，給出IEGT的選型參數(shù)。考慮到兩個IEGT串聯(lián)，在極端條件下會發(fā)生脈沖不同步現(xiàn)象，因此計算出單管承受的最大電壓、最大電流，作為IEGT的選型依據(jù)。

因此，選擇東芝ST1500GXH24，額定電壓4 500 V，額定電流1 500 A。該器件采用壓接式封裝，并帶有反并聯(lián)二極管，可滿足最大電壓、最大電流的運行要求。

2 NPP型三電平變流器的PWM調(diào)制方案

2.1 單相的調(diào)制方案

通過分析NPP型拓撲的特點，給出一種調(diào)制算法[3?4]，采用S1，S2和S6互補，S3，S4和S5互補的控制方式。以單相為例，對不同工作狀態(tài)說明如下：

（1） 狀態(tài)I，當Vao>0，ia>0時：S5常通，S3和S4常斷；S6和S1，S2作PWM切換。圖2（a）中，S1，S2導通時，輸出為[Vdc2]；圖2（b）中，S5與D6構成通路，輸出為0。

（2） 狀態(tài)Ⅱ，當Vao>0，ia<0時：S6常通，S3和S4常斷；S6和S1，S2作PWM切換。圖3（a）中，S1和S2構成通路，輸出[Vdc2]；圖3（b）中，S6導通時，S6與D5構成通路，輸出為0。

（3） 狀態(tài)Ⅲ，Vao<0，ia>0時：S5常通，S1和S2常斷；S5和S3，S4作PWM切換。圖4（a）中，S3和S4導通時輸出為[-Vdc2]；圖4（b）中，S5和D6構成通路，輸出為0。

（4） 狀態(tài)Ⅳ，當Vao<0，ia>0時：S6常通，S1和S2常斷；S5和S3，S4作PWM切換。圖5（a）中，S3和S4構成通路，輸出[-Vdc2]；圖5（b）中，S6導通時，S6與D5構成通路，輸出為0。

2.2 脈沖的死區(qū)間設置

3 實驗分析

3.1 實驗參數(shù)

本文的三電平變換器樣機測試系統(tǒng)參數(shù)如下：

采用三相NPP橋臂星型連接，直流母線電容CP=CN=1 200 μF，交流側增加電抗器與電阻，電抗器L=1 mH，電阻R=2 Ω，額定電流Ie=1 154 A（RMS），開關頻率fs=200 Hz。

樣機測試過程如下：首先對直流母線電容充電至Udc_pn=120 V，然后將交流側電抗與電阻三相進行短接形成閉環(huán)回路，進行電流閉環(huán)測試，電流指令為10 A。

3.2 實驗結果

3.2.1 開通與關斷時間測試

開通時間測試波形如圖6所示。

3.2.2 電流閉環(huán)控制

圖8中：CH1為交流側B相電流；CH1為交流側A相電流；CH3為交流側PWM線電壓Uab。在圖8中，在直流母線為120 V，電流指令為10 A的條件下，通過PWM脈沖調(diào)制，得到的實際電流約為9.6 A，誤差為4%。交流側線電壓為三階梯電平，符合三電平標準。

4 結 語

本文分析了IEGT的工作特性，提出一種基于IEGT的NPP型三電平變換器。該拓撲結構具有輸出電壓等級高、功率大、具備冗余功能等特點，當某一開關管損壞時，可以實現(xiàn)不停機降功率運行。

通過對IEGT器件進行選型，選用東芝的IEGT ST1500GXH24進行樣機設計。詳細分析NPP單相橋臂的工作狀態(tài)，設計出PWM調(diào)制方案，采用FPGA用于產(chǎn)生PWM脈沖。樣機測試表明，本文的器件選型、PWM調(diào)制方案均合理，在2 kHz開關頻率下電流閉環(huán)控制具有較好的電能質量與動態(tài)響應。

參考文獻

[1] 歐陽旭東，彭程.高壓大容量靜止同步補償器功率開關器件選用分析[J].電力系統(tǒng)自動化，2013，37（2）：113?118.

[2] 賀東曉.4.5 kV IEGT的IE效應與特性分析[D].西安：西安理工大學，2010.

[3] 章鈞.NPP拓撲結構在MV7000三電平中壓變頻器上的應用[J].變頻器世界，2011（1）：90?93.

[4] 孫超.三電平T型并網(wǎng)逆變系統(tǒng)設計[D].杭州：浙江大學，2013.

[5] 張興. PWM整流器及其控制策略的研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學，2003.

[6] 孫野，韓如成，智澤英.基于超級電容的靜止無功補償器的研究[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（12）：139?142.

[7] 李斌，王衛(wèi)國，劉克承.推挽DC?DC變換器建模與控制設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（24）：18?22.