基于集成門極換流晶閘管的三電平有源整流電源系統的分析

孫傳杰，張中磊，李 楠，徐 莉，張旭東

(天津電氣科學研究院有限公司 天津 300180)

中壓大功率設備在冶金、石油、礦產和新能源等領域廣泛應用，在工業發展的過程中起到非常關鍵的作用[1]。最初，最主要的開關器件為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，此后隨著功率元器件技術的發展，在中高壓領域，集成門極換流晶閘管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)逐漸得到廣泛應用。相對于IGBT而言，IGCT集IGBT的高速開關特性和可關斷晶閘管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)的高阻斷電壓特性以及低導通損耗特性于一體，從而使IGCT具有通態電流大、低導通損耗、阻斷電壓高、開關頻率高、結構緊湊等特點[2]。

IGCT中壓變頻器市場主要被國外大品牌占據，近年來，國內開始研發IGCT器件和相關的中壓變頻裝置，中車已經研發出IGCT器件和相關的中壓變頻裝置，國內若干公司也完成了基于IGCT的中壓變頻器的開發和現場應用。

姜一達等[3]就中點鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)三電平中壓大功率變頻器設計進行了拓撲和基本控制方法的闡述；段志剛等[4]給出了中壓變流器的功率實驗方法，用于證明其功率回路和吸收回路的正確性，但對其吸收回路的工作原理并未進行說明分析；楊培[5]對ABB、西門子、TEMIC以及ALSTON等公司的多電平產品所設計的主回路拓撲進行了對比，以及實際應用案例分析；謝路耀等[6]對吸收鉗位電路的參數設計進行了分析。

有源整流電源(Active Front End，AFE)系統相比其他形式的整流系統來說，對電網更加友好，其諧波小，可以配置更小的濾波器，節省硬件成本和安裝空間[7]。IGCT中壓AFE電源為變頻器提供穩定的直流電壓，并在需要的時候進行能量回饋，達到節能的效果。本文就二極管中點鉗位型三電平拓撲進行主回 路和吸收電路的分析，并對矢量控制方法進行闡述。

1 電路拓撲

1.1 主回路分析

主回路原理圖如圖1所示。

圖1中，直流母線由上、下2組母線電容支撐，用于穩定直流母線電壓；主回路包括三相相同的功率單元，每一個功率單元都包括二極管鉗位型三電平拓撲以及其對應的RLCD緩沖吸收回路。

以A相為例進行分析，當開關管V1與V2導通時，輸出網側電壓為正狀態；當開關管V2與V3導通時，輸出網側電壓為零狀態；當開關管V3與V4導通時，輸出網側電壓為負狀態，從而形成三電平電壓輸出。

當保持網側功率因數為1時，網側電壓與網側電流同相。當網側功率因數不為1時，設φ為功率因數角。以下4種情況的開關管導通和電流流向路徑圖分別如圖2的(a)、(b)、(c)、(d)所示。

①在0～φ的角度范圍內：設定調制電壓為正，交流側輸出電流為負，開關管V2處于導通狀態，開關管V1和V3交替導通，當交流側為正電壓狀態時，電流通過反并聯二極管D2、D1流入直流側；當交流側為零狀態時，電流通過開關管V3和鉗位二極管D6流入直流中點。

②在φ～π的角度范圍內：設定調制電壓為正，交流側輸出電流為正，開關管V2處于導通狀態，開關管V1和V3交替導通，當交流側為正電壓狀態時，電流通過開關管V1、V2流向交流側；當交流側為零狀態時，電流通過鉗位二極管D5和開關管V2流出直流中點。

③在π～(π+φ)的角度范圍內：設定調制電壓為負，交流側輸出電流為正，開關管V3處于導通狀態，開關管V2和V4交替導通，當交流側為負電壓狀態時，電流通過反并聯二極管D3、D4流入交流側，當交流側為零狀態時，電流依舊通過鉗位二極管D5和開關管V2流出直流中點。

④在(π+φ)～2π的角度范圍內：設定調制電壓為負，交流側輸出電流為負，開關管V3處于導通狀態，開關管V2和V4交替導通，當交流側為負電壓狀態時，電流通過開關管V3、V4流入直流側；當交流側為零狀態時，電流通過開關管V3和鉗位二極管D6流回直流中點。

1.2 吸收回路分析

本文所述電路采用工程中應用廣泛的RLCD緩沖吸收回路，其由吸收電阻R、緩沖電感L、二極管D以及緩沖吸收電容C組成。

1.2.1 IGCT開通過程分析

初始狀態：IGCT處于關閉狀態，整個電路處于穩態，則緩沖吸收電容C上的電壓等于直流母線電壓，吸收電阻R和緩沖電感L上均無電流，二極管D不導通。

IGCT開通瞬間：當觸發IGCT導通時，IGCT兩端電壓迅速降為0，由于緩沖電感L的限流作用，IGCT流過的電流逐漸增大，其電流變化率為：

式中，Di代表電流變化的大小，A；dt代表電流變化過程的時間，s；Udc為直流母線電壓，V；L為緩沖電感的電感量，H。

IGCT開通暫態過程中流過的電流由續流二極管的反向恢復電流和負載電流組成，所以其暫態電流大于IGCT導通時的穩態電流。在IGCT流過的電流逐漸增大的過程中，緩沖電感L所感應出的電壓，使得二極管D承受反向電壓而處于截止狀態。

IGCT流過電流從電流尖峰值減小到負載電流的過程：此時緩沖電感感應出電壓，使得二極管D承受正向電壓而導通，二極管D流過的電流使吸收電容C上的電壓逐漸升高，當吸收電容C上的電壓升高到一定階段后，二極管D流過的電流逐漸減小，使得二極管D承受反向電壓而逐漸轉變為截止狀態，然后緩沖吸收電容C通過吸收電阻釋放能量，直到緩沖吸收電容C的端電壓與直流母線電壓相等。

1.2.2 IGCT關斷過程分析

初始狀態：IGCT處于正常導通狀態，其流過的電流等于負載電流，緩沖吸收電容C上的電壓和直流母線電壓相等，緩沖回路中的電感L上的電流與流過IGCT的電流相等，緩沖回路中的其他元器件中無電流流過，二極管D處于截止狀態。

IGCT關斷瞬間：當通過信號關斷IGCT時，流經IGCT的電流迅速下降，緩沖電感L因電流的變化，其兩端感應出電壓差，使得IGCT兩端承受的電壓出現一個尖峰，該尖峰高于直流母線電壓，也使得二極管D承受正向電壓而導通，從而IGCT兩端的電壓開始下降，緩沖吸收電容C的電壓將升高。

當IGCT完全關斷，其電流降到0的時候：由于緩沖電容C上電壓的升高，造成IGCT兩端的電壓出現第2個高峰，當二極管D承受反壓而關斷后，緩沖吸收電容C的能量通過吸收電阻開始釋放，IGCT兩端的電壓逐漸恢復到直流母線電壓值。

2 矢量控制

AFE系統既可以實現基本整流器的功能，又可以實現有功功率和無功功率的控制，利用電壓外環和電流內環的控制方法，保證直流母線電壓的穩定，加快對直流側突加、減負載的響應。總體控制框圖如圖3所示。

控制系統需要采集網側三相交流電壓Ua、Ub、Uc，三相交流電流Ia、Ib、Ic以及直流側母線電壓Udc。利用三相交流電壓進行鎖相PLL(Phase Locked Loop，鎖相環)處理，可以獲得網側電壓的基準角度φ，也可以獲得網側電壓的電壓模值UD，進而根據功率因數計算出系統需要的無功分量。三相交流電流采樣可以經3/2變換和旋轉變換獲得網側實際電流的d軸分量和q軸分量。電壓外環利用直流電壓給定Uset和實際直流電壓采樣進行PI調節，再疊加有功電流IL前饋之后獲得有功電流的給定值，有功電流前饋可以有效提高電壓環的響應速度。電流內環經PI控制之后，疊加相應的前饋量，獲得最終的系統有功電壓給定量和無功電壓給定量再根據旋轉變換和2/3變換獲得三相給定電壓，從而進行PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調制)調制。其中，旋轉變換所需的角度根據不同的PWM調制策略進行適當補償。為最大限度地提高系統的輸出能力和減少網側諧波，調制策略一般會選用空間矢量脈寬調制、特定消諧或者諧波抑制等PWM調制 方法。

3 實驗

當該電路系統根據上述矢量控制方法使其穩定工作在直流母線電壓2400V，交流電流1400Arms時，獲得IGCT開通和關斷時刻的電壓波形，如圖4所示。

當IGCT導通時刻，其兩端電壓迅速下降，IGCT完全導通后，其兩端電壓在零電壓附近，PWM輸出電壓為高電平。當IGCT關閉時刻，其兩端電壓迅速升高，由于緩沖吸收回路的作用形成2個電壓高峰，然后其兩端電壓穩定在直流母線電壓附近，PWM輸出電壓為零電平。

其中：UIGCT為IGCT兩端承受的電壓，UPWM為交流側PWM電壓。

4 總結

本文就IGCT的基本特性進行了闡述，對基于IGCT的二極管中點鉗位型三電平電路拓撲的工作原理進行了分析，并且對經典RLCD吸收回路的工作原理進行細節剖析；根據矢量控制方法，AFE系統可以實現有功功率和無功功率的分別控制，實現功率因數任意可調，并給出了完整的矢量控制框圖及其說明。通過實驗驗證，確定了矢量控制方法和吸收回路工作原理分析的正確性。