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(jí)及大功率運(yùn)行要求，提出一種新型的三電平變換器拓?fù)浞桨福捎肗PP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率器件采用IEGT串聯(lián)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出電壓等級(jí)高、功率大、具備冗余功能等特點(diǎn)。在此對(duì)開(kāi)關(guān)器件IEGT的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行介紹，對(duì)NPP型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和器件選型做出分析，針對(duì)該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了三電平變換器的PWM脈沖調(diào)制方案，對(duì)PWM調(diào)制方案進(jìn)行了分析，并在樣機(jī)通過(guò)小電流測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，IEGT脈沖調(diào)制方案具有開(kāi)關(guān)頻率高、電能質(zhì)量好等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 三電平變換器； 串聯(lián)； 脈沖調(diào)制； 電能質(zhì)量

中圖分類號(hào)： TN773?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(diǎn)的功率器件，其開(kāi)關(guān)頻率高、通態(tài)壓降低、開(kāi)關(guān)損耗小、運(yùn)行區(qū)域?qū)挘诟邏弘娏﹄娮宇I(lǐng)域極具發(fā)展?jié)摿ΑＨ嵝暂旊姟⒏邏簜鲃?dòng)變換器裝置都需要使用到4.5 kV電壓等級(jí)以上的開(kāi)關(guān)器件。采用高壓IGBT設(shè)計(jì)大功率變換器，經(jīng)常使用H橋級(jí)聯(lián)、橋臂并聯(lián)等方案，使得產(chǎn)品功率器件多、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積大。使用IEGT方案，可實(shí)現(xiàn)元器件數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝置的可靠性大大提高；門極驅(qū)動(dòng)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(guó)內(nèi)廠家應(yīng)用IGBT器件較多，使用IEGT目前仍較少。主要是由IEGT不能國(guó)產(chǎn)化、IEGT驅(qū)動(dòng)板卡依賴于國(guó)外、工程實(shí)踐少等原因造成的。

本文提出一種新型的三電平變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用T型電路即NPP拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中功率器件采用IEGT。同時(shí)，研究了IEGT的PWM脈沖調(diào)制方案，通過(guò)制造樣機(jī)、實(shí)驗(yàn)測(cè)試，表明本文的PWM脈沖調(diào)制方案具有頻率高、電能質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)。

1 NPP型三電平變換器的拓?fù)渑c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(gè)開(kāi)關(guān)管和6個(gè)續(xù)流二極管組成，其單相結(jié)構(gòu)如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，NPP型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：

（1） 每個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的正向阻斷電壓為[Vdc4]，開(kāi)關(guān)損耗降低為NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的[12]。

（2） 通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管的串聯(lián)，可以很容易的輸出更高的額定電壓。

（3） NPP拓?fù)渚哂泻芎玫娜哂喙δ埽?dāng)某一開(kāi)關(guān)管損壞的情況下，可以通過(guò)降功率實(shí)現(xiàn)不停機(jī)運(yùn)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(duì)象，計(jì)算額定電壓、電流，給出IEGT的選型參數(shù)。考慮到兩個(gè)IEGT串聯(lián)，在極端條件下會(huì)發(fā)生脈沖不同步現(xiàn)象，因此計(jì)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(yùn)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(guò)分析NPP型拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，給出一種調(diào)制算法[3?4]，采用S1，S2和S6互補(bǔ)，S3，S4和S5互補(bǔ)的控制方式。以單相為例，對(duì)不同工作狀態(tài)說(shuō)明如下：

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

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

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

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

2.2 脈沖的死區(qū)間設(shè)置

3 實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本文的三電平變換器樣機(jī)測(cè)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(cè)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(kāi)關(guān)頻率fs=200 Hz。

樣機(jī)測(cè)試過(guò)程如下：首先對(duì)直流母線電容充電至Udc_pn=120 V，然后將交流側(cè)電抗與電阻三相進(jìn)行短接形成閉環(huán)回路，進(jìn)行電流閉環(huán)測(cè)試，電流指令為10 A。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.2.1 開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間測(cè)試

開(kāi)通時(shí)間測(cè)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(cè)B相電流；CH1為交流側(cè)A相電流；CH3為交流側(cè)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(guò)PWM脈沖調(diào)制，得到的實(shí)際電流約為9.6 A，誤差為4%。交流側(cè)線電壓為三階梯電平，符合三電平標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

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?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有輸出電壓等級(jí)高、功率大、具備冗余功能等特點(diǎn)，當(dāng)某一開(kāi)關(guān)管損壞時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)不停機(jī)降功率運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)IEGT器件進(jìn)行選型，選用東芝的IEGT ST1500GXH24進(jìn)行樣機(jī)設(shè)計(jì)。詳細(xì)分析NPP單相橋臂的工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)出PWM調(diào)制方案，采用FPGA用于產(chǎn)生PWM脈沖。樣機(jī)測(cè)試表明，本文的器件選型、PWM調(diào)制方案均合理，在2 kHz開(kāi)關(guān)頻率下電流閉環(huán)控制具有較好的電能質(zhì)量與動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

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