基于集成门极换流晶闸管的三电平有源整流电源系统的分析

孙传杰，张中磊，李 楠，徐 莉，张旭东

(天津电气科学研究院有限公司 天津 300180)

中压大功率设备在冶金、石油、矿产和新能源等领域广泛应用，在工业发展的过程中起到非常关键的作用[1]。最初，最主要的开关器件为绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，此后随着功率元器件技术的发展，在中高压领域，集成门极换流晶闸管(Integrated Gate-Commutated Thyristor，IGCT)逐渐得到广泛应用。相对于IGBT而言，IGCT集IGBT的高速开关特性和可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)的高阻断电压特性以及低导通损耗特性于一体，从而使IGCT具有通态电流大、低导通损耗、阻断电压高、开关频率高、结构紧凑等特点[2]。

IGCT中压变频器市场主要被国外大品牌占据，近年来，国内开始研发IGCT器件和相关的中压变频装置，中车已经研发出IGCT器件和相关的中压变频装置，国内若干公司也完成了基于IGCT的中压变频器的开发和现场应用。

姜一达等[3]就中点钳位(Neutral Point Clamped，NPC)三电平中压大功率变频器设计进行了拓扑和基本控制方法的阐述；段志刚等[4]给出了中压变流器的功率实验方法，用于证明其功率回路和吸收回路的正确性，但对其吸收回路的工作原理并未进行说明分析；杨培[5]对ABB、西门子、TEMIC以及ALSTON等公司的多电平产品所设计的主回路拓扑进行了对比，以及实际应用案例分析；谢路耀等[6]对吸收钳位电路的参数设计进行了分析。

有源整流电源(Active Front End，AFE)系统相比其他形式的整流系统来说，对电网更加友好，其谐波小，可以配置更小的滤波器，节省硬件成本和安装空间[7]。IGCT中压AFE电源为变频器提供稳定的直流电压，并在需要的时候进行能量回馈，达到节能的效果。本文就二极管中点钳位型三电平拓扑进行主回 路和吸收电路的分析，并对矢量控制方法进行阐述。

1 电路拓扑

1.1 主回路分析

主回路原理图如图1所示。

图1中，直流母线由上、下2组母线电容支撑，用于稳定直流母线电压；主回路包括三相相同的功率单元，每一个功率单元都包括二极管钳位型三电平拓扑以及其对应的RLCD缓冲吸收回路。

以A相为例进行分析，当开关管V1与V2导通时，输出网侧电压为正状态；当开关管V2与V3导通时，输出网侧电压为零状态；当开关管V3与V4导通时，输出网侧电压为负状态，从而形成三电平电压输出。

当保持网侧功率因数为1时，网侧电压与网侧电流同相。当网侧功率因数不为1时，设φ为功率因数角。以下4种情况的开关管导通和电流流向路径图分别如图2的(a)、(b)、(c)、(d)所示。

①在0～φ的角度范围内：设定调制电压为正，交流侧输出电流为负，开关管V2处于导通状态，开关管V1和V3交替导通，当交流侧为正电压状态时，电流通过反并联二极管D2、D1流入直流侧；当交流侧为零状态时，电流通过开关管V3和钳位二极管D6流入直流中点。

②在φ～π的角度范围内：设定调制电压为正，交流侧输出电流为正，开关管V2处于导通状态，开关管V1和V3交替导通，当交流侧为正电压状态时，电流通过开关管V1、V2流向交流侧；当交流侧为零状态时，电流通过钳位二极管D5和开关管V2流出直流中点。

③在π～(π+φ)的角度范围内：设定调制电压为负，交流侧输出电流为正，开关管V3处于导通状态，开关管V2和V4交替导通，当交流侧为负电压状态时，电流通过反并联二极管D3、D4流入交流侧，当交流侧为零状态时，电流依旧通过钳位二极管D5和开关管V2流出直流中点。

④在(π+φ)～2π的角度范围内：设定调制电压为负，交流侧输出电流为负，开关管V3处于导通状态，开关管V2和V4交替导通，当交流侧为负电压状态时，电流通过开关管V3、V4流入直流侧；当交流侧为零状态时，电流通过开关管V3和钳位二极管D6流回直流中点。

1.2 吸收回路分析

本文所述电路采用工程中应用广泛的RLCD缓冲吸收回路，其由吸收电阻R、缓冲电感L、二极管D以及缓冲吸收电容C组成。

1.2.1 IGCT开通过程分析

初始状态：IGCT处于关闭状态，整个电路处于稳态，则缓冲吸收电容C上的电压等于直流母线电压，吸收电阻R和缓冲电感L上均无电流，二极管D不导通。

IGCT开通瞬间：当触发IGCT导通时，IGCT两端电压迅速降为0，由于缓冲电感L的限流作用，IGCT流过的电流逐渐增大，其电流变化率为：

式中，Di代表电流变化的大小，A；dt代表电流变化过程的时间，s；Udc为直流母线电压，V；L为缓冲电感的电感量，H。

IGCT开通暂态过程中流过的电流由续流二极管的反向恢复电流和负载电流组成，所以其暂态电流大于IGCT导通时的稳态电流。在IGCT流过的电流逐渐增大的过程中，缓冲电感L所感应出的电压，使得二极管D承受反向电压而处于截止状态。

IGCT流过电流从电流尖峰值减小到负载电流的过程：此时缓冲电感感应出电压，使得二极管D承受正向电压而导通，二极管D流过的电流使吸收电容C上的电压逐渐升高，当吸收电容C上的电压升高到一定阶段后，二极管D流过的电流逐渐减小，使得二极管D承受反向电压而逐渐转变为截止状态，然后缓冲吸收电容C通过吸收电阻释放能量，直到缓冲吸收电容C的端电压与直流母线电压相等。

1.2.2 IGCT关断过程分析

初始状态：IGCT处于正常导通状态，其流过的电流等于负载电流，缓冲吸收电容C上的电压和直流母线电压相等，缓冲回路中的电感L上的电流与流过IGCT的电流相等，缓冲回路中的其他元器件中无电流流过，二极管D处于截止状态。

IGCT关断瞬间：当通过信号关断IGCT时，流经IGCT的电流迅速下降，缓冲电感L因电流的变化，其两端感应出电压差，使得IGCT两端承受的电压出现一个尖峰，该尖峰高于直流母线电压，也使得二极管D承受正向电压而导通，从而IGCT两端的电压开始下降，缓冲吸收电容C的电压将升高。

当IGCT完全关断，其电流降到0的时候：由于缓冲电容C上电压的升高，造成IGCT两端的电压出现第2个高峰，当二极管D承受反压而关断后，缓冲吸收电容C的能量通过吸收电阻开始释放，IGCT两端的电压逐渐恢复到直流母线电压值。

2 矢量控制

AFE系统既可以实现基本整流器的功能，又可以实现有功功率和无功功率的控制，利用电压外环和电流内环的控制方法，保证直流母线电压的稳定，加快对直流侧突加、减负载的响应。总体控制框图如图3所示。

控制系统需要采集网侧三相交流电压Ua、Ub、Uc，三相交流电流Ia、Ib、Ic以及直流侧母线电压Udc。利用三相交流电压进行锁相PLL(Phase Locked Loop，锁相环)处理，可以获得网侧电压的基准角度φ，也可以获得网侧电压的电压模值UD，进而根据功率因数计算出系统需要的无功分量。三相交流电流采样可以经3/2变换和旋转变换获得网侧实际电流的d轴分量和q轴分量。电压外环利用直流电压给定Uset和实际直流电压采样进行PI调节，再叠加有功电流IL前馈之后获得有功电流的给定值，有功电流前馈可以有效提高电压环的响应速度。电流内环经PI控制之后，叠加相应的前馈量，获得最终的系统有功电压给定量和无功电压给定量再根据旋转变换和2/3变换获得三相给定电压，从而进行PWM (Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)调制。其中，旋转变换所需的角度根据不同的PWM调制策略进行适当补偿。为最大限度地提高系统的输出能力和减少网侧谐波，调制策略一般会选用空间矢量脉宽调制、特定消谐或者谐波抑制等PWM调制 方法。

3 实验

当该电路系统根据上述矢量控制方法使其稳定工作在直流母线电压2400V，交流电流1400Arms时，获得IGCT开通和关断时刻的电压波形，如图4所示。

当IGCT导通时刻，其两端电压迅速下降，IGCT完全导通后，其两端电压在零电压附近，PWM输出电压为高电平。当IGCT关闭时刻，其两端电压迅速升高，由于缓冲吸收回路的作用形成2个电压高峰，然后其两端电压稳定在直流母线电压附近，PWM输出电压为零电平。

其中：UIGCT为IGCT两端承受的电压，UPWM为交流侧PWM电压。

4 总结

本文就IGCT的基本特性进行了阐述，对基于IGCT的二极管中点钳位型三电平电路拓扑的工作原理进行了分析，并且对经典RLCD吸收回路的工作原理进行细节剖析；根据矢量控制方法，AFE系统可以实现有功功率和无功功率的分别控制，实现功率因数任意可调，并给出了完整的矢量控制框图及其说明。通过实验验证，确定了矢量控制方法和吸收回路工作原理分析的正确性。