基于IGBT及IGCT混合级联多电平变频器输出波形控制

2014-09-21蔡钿池波张新民

船电技术 2014年6期

蔡钿，池波，张新民

(1. 中海油田服务股份有限公司，北京101149；2. 武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064)

0 引言

在大功率风机、水泵应用场合，应用高压变频器驱动具有显著的节能效果。鉴于电力电子器件本体耐电应力水平的局限，采用传统的三相桥（不借助器件串并联）很难实现高压大功率输出，当前电力电子学的一个研究方向就是利用不同形式的拓扑来实现高压大容量输出。级联型多电平拓扑是较为常见的一种拓扑结构。级联型多电平拓扑结构包括以下三种：1）同一种开关器件的同一形式的结构级联，如基于IGBT的2电平H桥级联；2）同一种开关器件的不同形式的结构级联，如基于IGBT的2电平及3电平级联；3）不同开关器件的不同形式的结构级联，如基于IGBT的2电平及基于IGCT的3电平级联，本文论述的混合级联型拓扑结构正是基于此类型。该拓扑结构将 IGBT高开关频率优良输出电压特性及IGCT高压大电流特性结合起来，能够用较少的功率器件产生优异的输出波形。

文献[1][2]中，针对两电平H桥采用了标准正弦波与载波层叠式三角波调制的方式，而三电平H桥采用了将两电平调制波与两电平输出波形的差作为调制波与载波层叠式三角波进行调制的方式，能够有效避免功率倒灌现象的发生[1]。文献[3]通过级联单元内部采用载波层叠法及单元间应用载波移相控制策略能有效解决了三电平H桥级联之间功率不平衡的问题。

本文针对IGCT器件应用特性，将单极性调制方法应用于混合级联型多电平变换器。

1 拓扑结构分析

如图1所示为变频器单相输出原理示意图，由基于IGBT的2电平H桥及基于IGCT的三电平H桥级联而成。E1、E2为独立的直流电压源，通过整流电路得到。三电平 H桥逆变器包 8个IGCT开关管组成的H桥电路及di/dt开通缓冲电路，缓冲电路由电感Ls、二极管D、电阻R组成，抑制IGCT开通过程中过高的di/dt对IGCT的损坏，二极管D和CC组成无源箝位电路来抑制关断电压过冲。

图1 混合级联多电平拓扑结构

混合级联型拓扑的输出电平数由3电平H桥输入直流电压源E1与2电平H桥输入直流电压源E2的比值决定。当输入直流电压源的比值E1/E2=2，输出电平数为七电平（±3、±2、±1、0）；当输入直流电压源的比值E1/E2=4，输出电平数为十一电平（±5、±4、±3、±2、±1、0）；当输入直流电压源的比值E1/ E2=2n（n≠1），输出电平数为十五电平（±（2n+1）、±2n、±（2n-1）、±（n+1）、±n、±（n-1）、±1、0）。当电压比值 n较大时，级联输出电平数并不连续，不能够得到连续电平；能够得到连续电平的最大电平数为十五电平。以E1/E2=4为例，同样输出11电平的波形，由2电平H桥级联需要的单元数为5个，器件数为20个，可见混合级联型可以显著减小装置元器件及控制系统复杂度。

2 控制策略

基于IGCT的混合级联型拓扑采用低频载波单极性调制，调制波vm与载波vc1比较控制VT1及VT2，调制波vm与载波vc2比较控制VT3及VT4，三电平H桥左右桥臂采用单极性调制的方法，左右桥臂间采用载波移相180°的方式。

图2 单极性调制示意图

2电平H桥采用单极性调制的输出电压表达式为：

3电平H桥采用单极性调制的输出电压表达式为：

其中，M为调制比， J2n-1(x)为贝塞尔函数，ω0为基波频率，ωc为载波频率。

可见，当采用级联拓扑时，基波分量为M(E2+E1) cos(ω0t)，增加了2电平开关频率次谐波，减小了三电平开关频率次谐波，使得谐波分布整体沿着高频带分布。

3 输出仿真波形

基于 IGCT的混合级联型拓扑采用如下参数，DC LINK环节L，C，R参数分别为10 μH，2 μF，1.5 Ω，阻感性负载为 1 Ω 及 10 mH，直流母线电压E2=1000 V，E1=2000 V，调制频率为50 Hz，载波频率为800 Hz，得到相电压波形如图所示，为 7电平波形。相电流波形 THD为1.33%。

基于IGCT及IGBT的混合级联型拓扑采用如下参数，依然保留DC LINK环节，IGBT两电平调制频率为50 Hz，载波频率为2400 Hz，得到相电压波形如图所示。相电流THD为1.02%。