基于IGBT及IGCT混合級聯多電平變頻器輸出波形控制

蔡鈿，池波，張新民

(1. 中海油田服務股份有限公司，北京101149；2. 武漢船用電力推進裝置研究所，武漢430064)

0 引言

在大功率風機、水泵應用場合，應用高壓變頻器驅動具有顯著的節能效果。鑒于電力電子器件本體耐電應力水平的局限，采用傳統的三相橋（不借助器件串并聯）很難實現高壓大功率輸出，當前電力電子學的一個研究方向就是利用不同形式的拓撲來實現高壓大容量輸出。級聯型多電平拓撲是較為常見的一種拓撲結構。級聯型多電平拓撲結構包括以下三種：1）同一種開關器件的同一形式的結構級聯，如基于IGBT的2電平H橋級聯；2）同一種開關器件的不同形式的結構級聯，如基于IGBT的2電平及3電平級聯；3）不同開關器件的不同形式的結構級聯，如基于IGBT的2電平及基于IGCT的3電平級聯，本文論述的混合級聯型拓撲結構正是基于此類型。該拓撲結構將 IGBT高開關頻率優良輸出電壓特性及IGCT高壓大電流特性結合起來，能夠用較少的功率器件產生優異的輸出波形。

文獻[1][2]中，針對兩電平H橋采用了標準正弦波與載波層疊式三角波調制的方式，而三電平H橋采用了將兩電平調制波與兩電平輸出波形的差作為調制波與載波層疊式三角波進行調制的方式，能夠有效避免功率倒灌現象的發生[1]。文獻[3]通過級聯單元內部采用載波層疊法及單元間應用載波移相控制策略能有效解決了三電平H橋級聯之間功率不平衡的問題。

本文針對IGCT器件應用特性，將單極性調制方法應用于混合級聯型多電平變換器。

1 拓撲結構分析

如圖1所示為變頻器單相輸出原理示意圖，由基于IGBT的2電平H橋及基于IGCT的三電平H橋級聯而成。E1、E2為獨立的直流電壓源，通過整流電路得到。三電平 H橋逆變器包 8個IGCT開關管組成的H橋電路及di/dt開通緩沖電路，緩沖電路由電感Ls、二極管D、電阻R組成，抑制IGCT開通過程中過高的di/dt對IGCT的損壞，二極管D和CC組成無源箝位電路來抑制關斷電壓過沖。

圖1 混合級聯多電平拓撲結構

混合級聯型拓撲的輸出電平數由3電平H橋輸入直流電壓源E1與2電平H橋輸入直流電壓源E2的比值決定。當輸入直流電壓源的比值E1/E2=2，輸出電平數為七電平（±3、±2、±1、0）；當輸入直流電壓源的比值E1/E2=4，輸出電平數為十一電平（±5、±4、±3、±2、±1、0）；當輸入直流電壓源的比值E1/ E2=2n（n≠1），輸出電平數為十五電平（±（2n+1）、±2n、±（2n-1）、±（n+1）、±n、±（n-1）、±1、0）。當電壓比值 n較大時，級聯輸出電平數并不連續，不能夠得到連續電平；能夠得到連續電平的最大電平數為十五電平。以E1/E2=4為例，同樣輸出11電平的波形，由2電平H橋級聯需要的單元數為5個，器件數為20個，可見混合級聯型可以顯著減小裝置元器件及控制系統復雜度。

2 控制策略

基于IGCT的混合級聯型拓撲采用低頻載波單極性調制，調制波vm與載波vc1比較控制VT1及VT2，調制波vm與載波vc2比較控制VT3及VT4，三電平H橋左右橋臂采用單極性調制的方法，左右橋臂間采用載波移相180°的方式。

圖2 單極性調制示意圖

2電平H橋采用單極性調制的輸出電壓表達式為：

3電平H橋采用單極性調制的輸出電壓表達式為：

其中，M為調制比， J2n-1(x)為貝塞爾函數，ω0為基波頻率，ωc為載波頻率。

可見，當采用級聯拓撲時，基波分量為M(E2+E1) cos(ω0t)，增加了2電平開關頻率次諧波，減小了三電平開關頻率次諧波，使得諧波分布整體沿著高頻帶分布。

3 輸出仿真波形

基于 IGCT的混合級聯型拓撲采用如下參數，DC LINK環節L，C，R參數分別為10 μH，2 μF，1.5 Ω，阻感性負載為 1 Ω 及 10 mH，直流母線電壓E2=1000 V，E1=2000 V，調制頻率為50 Hz，載波頻率為800 Hz，得到相電壓波形如圖所示，為 7電平波形。相電流波形 THD為1.33%。

基于IGCT及IGBT的混合級聯型拓撲采用如下參數，依然保留DC LINK環節，IGBT兩電平調制頻率為50 Hz，載波頻率為2400 Hz，得到相電壓波形如圖所示。相電流THD為1.02%。

圖3 輸出電壓波形及頻譜

圖4 輸出電壓波形及頻譜

可見單純采用H橋載波移相PWM調制，并不能顯著改善輸出電壓波形，在降低IGCT開關頻率次諧波的同時，IGBT開關頻率次諧波增加。但輸出電流波形得到明顯的改善。在單極性調制的情況下，兩個橋臂間的功率分配為1：4。

4 結論

本文論述的基于IGBT及IGCT的混合級聯多電平變頻器拓撲，能夠顯著減少在高壓應用場合的器件數量，同時采用H內兩橋臂間移相180°，2電平H橋與3電平H橋移相120°的控制方法使輸出電流諧波得到極大的改善。

[1]陳振興, 張代潤, 張峰, 等.一種混合級聯多電平逆變器的混合調制[J].研究與設計, 2011(2): 34～37.

[2]劉鳳君.混合級聯式多電平逆變器的原理與控制[J].電源技術應用, 2007, 10(8): 34～37.

[3]姚文熙, 呂征宇, 胡海兵. 三電平 H 橋級聯逆變器載波移相脈寬調制方式[J]. 浙江大學學報（工學版）,2008, 42(8) : 1330～1334.