基于IGBT及IGCT混合級聯(lián)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(wù)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(fēng)機、水泵應(yīng)用場合，應(yīng)用高壓變頻器驅(qū)動具有顯著的節(jié)能效果。鑒于電力電子器件本體耐電應(yīng)力水平的局限，采用傳統(tǒng)的三相橋（不借助器件串并聯(lián)）很難實現(xiàn)高壓大功率輸出，當(dāng)前電力電子學(xué)的一個研究方向就是利用不同形式的拓撲來實現(xiàn)高壓大容量輸出。級聯(lián)型多電平拓撲是較為常見的一種拓撲結(jié)構(gòu)。級聯(lián)型多電平拓撲結(jié)構(gòu)包括以下三種：1）同一種開關(guān)器件的同一形式的結(jié)構(gòu)級聯(lián)，如基于IGBT的2電平H橋級聯(lián)；2）同一種開關(guān)器件的不同形式的結(jié)構(gòu)級聯(lián)，如基于IGBT的2電平及3電平級聯(lián)；3）不同開關(guān)器件的不同形式的結(jié)構(gòu)級聯(lián)，如基于IGBT的2電平及基于IGCT的3電平級聯(lián)，本文論述的混合級聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)正是基于此類型。該拓撲結(jié)構(gòu)將 IGBT高開關(guān)頻率優(yōu)良輸出電壓特性及IGCT高壓大電流特性結(jié)合起來，能夠用較少的功率器件產(chǎn)生優(yōu)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(diào)制的方式，而三電平H橋采用了將兩電平調(diào)制波與兩電平輸出波形的差作為調(diào)制波與載波層疊式三角波進行調(diào)制的方式，能夠有效避免功率倒灌現(xiàn)象的發(fā)生[1]。文獻[3]通過級聯(lián)單元內(nèi)部采用載波層疊法及單元間應(yīng)用載波移相控制策略能有效解決了三電平H橋級聯(lián)之間功率不平衡的問題。

本文針對IGCT器件應(yīng)用特性，將單極性調(diào)制方法應(yīng)用于混合級聯(lián)型多電平變換器。

1 拓撲結(jié)構(gòu)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(lián)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(guān)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(guān)斷電壓過沖。

圖1 混合級聯(lián)多電平拓撲結(jié)構(gòu)

混合級聯(lián)型拓撲的輸出電平數(shù)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(dāng)輸入直流電壓源的比值E1/E2=2，輸出電平數(shù)為七電平（±3、±2、±1、0）；當(dāng)輸入直流電壓源的比值E1/E2=4，輸出電平數(shù)為十一電平（±5、±4、±3、±2、±1、0）；當(dāng)輸入直流電壓源的比值E1/ E2=2n（n≠1），輸出電平數(shù)為十五電平（±（2n+1）、±2n、±（2n-1）、±（n+1）、±n、±（n-1）、±1、0）。當(dāng)電壓比值 n較大時，級聯(lián)輸出電平數(shù)并不連續(xù)，不能夠得到連續(xù)電平；能夠得到連續(xù)電平的最大電平數(shù)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(lián)需要的單元數(shù)為5個，器件數(shù)為20個，可見混合級聯(lián)型可以顯著減小裝置元器件及控制系統(tǒng)復(fù)雜度。

2 控制策略

基于IGCT的混合級聯(lián)型拓撲采用低頻載波單極性調(diào)制，調(diào)制波vm與載波vc1比較控制VT1及VT2，調(diào)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(diào)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(diào)制示意圖

2電平H橋采用單極性調(diào)制的輸出電壓表達式為：

3電平H橋采用單極性調(diào)制的輸出電壓表達式為：

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

可見，當(dāng)采用級聯(lián)拓撲時，基波分量為M(E2+E1) cos(ω0t)，增加了2電平開關(guān)頻率次諧波，減小了三電平開關(guān)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(lián)型拓撲采用如下參數(shù)，DC LINK環(huán)節(jié)L，C，R參數(shù)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(diào)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(lián)型拓撲采用如下參數(shù)，依然保留DC LINK環(huán)節(jié)，IGBT兩電平調(diào)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(diào)制，并不能顯著改善輸出電壓波形，在降低IGCT開關(guān)頻率次諧波的同時，IGBT開關(guān)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(diào)制的情況下，兩個橋臂間的功率分配為1：4。

4 結(jié)論

本文論述的基于IGBT及IGCT的混合級聯(lián)多電平變頻器拓撲，能夠顯著減少在高壓應(yīng)用場合的器件數(shù)量，同時采用H內(nèi)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(lián)多電平逆變器的混合調(diào)制[J].研究與設(shè)計, 2011(2): 34～37.

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

[3]姚文熙, 呂征宇, 胡海兵. 三電平 H 橋級聯(lián)逆變器載波移相脈寬調(diào)制方式[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版）,2008, 42(8) : 1330～1334.