基于IEGT的三电平变换器PWM脉冲调制研究

王青龙　孙健　刘刚　赵宇

摘 要： 为了满足高电压等级及大功率运行要求，提出一种新型的三电平变换器拓扑方案，采用NPP拓扑结构，功率器件采用IEGT串联，该拓扑结构具有输出电压等级高、功率大、具备冗余功能等特点。在此对开关器件IEGT的结构特点进行介绍，对NPP型三电平拓扑结构和器件选型做出分析，针对该拓扑结构提出了三电平变换器的PWM脉冲调制方案，对PWM调制方案进行了分析，并在样机通过小电流测试。试验结果表明，IEGT脉冲调制方案具有开关频率高、电能质量好等特点。

关键词： 三电平变换器； 串联； 脉冲调制； 电能质量

中图分类号： TN773?34 文献标识码： A 文章编号： 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与GTO优点的功率器件，其开关频率高、通态压降低、开关损耗小、运行区域宽，在高压电力电子领域极具发展潜力。柔性输电、高压传动变换器装置都需要使用到4.5 kV电压等级以上的开关器件。采用高压IGBT设计大功率变换器，经常使用H桥级联、桥臂并联等方案，使得产品功率器件多、拓扑结构复杂、体积大。使用IEGT方案，可实现元器件数量少、结构简单，装置的可靠性大大提高；门极驱动电流小，系统的损耗小，装置的能量利用率较高[1?2]。电平变换器装置中，国内厂家应用IGBT器件较多，使用IEGT目前仍较少。主要是由IEGT不能国产化、IEGT驱动板卡依赖于国外、工程实践少等原因造成的。

本文提出一种新型的三电平变换器拓扑结构，采用T型电路即NPP拓扑结构，其中功率器件采用IEGT。同时，研究了IEGT的PWM脉冲调制方案，通过制造样机、实验测试，表明本文的PWM脉冲调制方案具有频率高、电能质量好的优点。

1 NPP型三电平变换器的拓扑与器件选型

1.1 NPP型三电平变换器

NPP型三电平变换器采用的是T型电路，每相由6个开关管和6个续流二极管组成，其单相结构如图1所示。由图1可见，NPP型三电平拓扑结构的特点是：

（1） 每个开关管所承受的正向阻断电压为[Vdc4]，开关损耗降低为NPC拓扑结构的[12]。

（2） 通过功率开关管的串联，可以很容易的输出更高的额定电压。

（3） NPP拓扑具有很好的冗余功能，当某一开关管损坏的情况下，可以通过降功率实现不停机运行。

1.2 IEGT器件的选型

本文以3 kV，6 MV·A三电平变换器为研究对象，计算额定电压、电流，给出IEGT的选型参数。考虑到两个IEGT串联，在极端条件下会发生脉冲不同步现象，因此计算出单管承受的最大电压、最大电流，作为IEGT的选型依据。

因此，选择东芝ST1500GXH24，额定电压4 500 V，额定电流1 500 A。该器件采用压接式封装，并带有反并联二极管，可满足最大电压、最大电流的运行要求。

2 NPP型三电平变流器的PWM调制方案

2.1 单相的调制方案

通过分析NPP型拓扑的特点，给出一种调制算法[3?4]，采用S1，S2和S6互补，S3，S4和S5互补的控制方式。以单相为例，对不同工作状态说明如下：

（1） 状态I，当Vao>0，ia>0时：S5常通，S3和S4常断；S6和S1，S2作PWM切换。图2（a）中，S1，S2导通时，输出为[Vdc2]；图2（b）中，S5与D6构成通路，输出为0。

（2） 状态Ⅱ，当Vao>0，ia<0时：S6常通，S3和S4常断；S6和S1，S2作PWM切换。图3（a）中，S1和S2构成通路，输出[Vdc2]；图3（b）中，S6导通时，S6与D5构成通路，输出为0。

（3） 状态Ⅲ，Vao<0，ia>0时：S5常通，S1和S2常断；S5和S3，S4作PWM切换。图4（a）中，S3和S4导通时输出为[-Vdc2]；图4（b）中，S5和D6构成通路，输出为0。

（4） 状态Ⅳ，当Vao<0，ia>0时：S6常通，S1和S2常断；S5和S3，S4作PWM切换。图5（a）中，S3和S4构成通路，输出[-Vdc2]；图5（b）中，S6导通时，S6与D5构成通路，输出为0。

2.2 脉冲的死区间设置

3 实验分析

3.1 实验参数

本文的三电平变换器样机测试系统参数如下：

采用三相NPP桥臂星型连接，直流母线电容CP=CN=1 200 μF，交流侧增加电抗器与电阻，电抗器L=1 mH，电阻R=2 Ω，额定电流Ie=1 154 A（RMS），开关频率fs=200 Hz。

样机测试过程如下：首先对直流母线电容充电至Udc_pn=120 V，然后将交流侧电抗与电阻三相进行短接形成闭环回路，进行电流闭环测试，电流指令为10 A。

3.2 实验结果

3.2.1 开通与关断时间测试

开通时间测试波形如图6所示。

3.2.2 电流闭环控制

图8中：CH1为交流侧B相电流；CH1为交流侧A相电流；CH3为交流侧PWM线电压Uab。在图8中，在直流母线为120 V，电流指令为10 A的条件下，通过PWM脉冲调制，得到的实际电流约为9.6 A，误差为4%。交流侧线电压为三阶梯电平，符合三电平标准。

4 结 语

本文分析了IEGT的工作特性，提出一种基于IEGT的NPP型三电平变换器。该拓扑结构具有输出电压等级高、功率大、具备冗余功能等特点，当某一开关管损坏时，可以实现不停机降功率运行。

通过对IEGT器件进行选型，选用东芝的IEGT ST1500GXH24进行样机设计。详细分析NPP单相桥臂的工作状态，设计出PWM调制方案，采用FPGA用于产生PWM脉冲。样机测试表明，本文的器件选型、PWM调制方案均合理，在2 kHz开关频率下电流闭环控制具有较好的电能质量与动态响应。

参考文献

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