图1 IGCT五电平NPC/H桥变流器拓扑
Fig.1 Topology of IGCT-based five-level NPC/H-bridge converter
摘要 将三电平中点钳位（NPC）交直交变流技术和H桥级联技术相结合的五电平NPC/H桥变流器可以实现更高等级的输出电压和容量。该文研究基于集成门极换向晶闸管（IGCT）的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑结构，并采用模块化结构设计方式减少了杂散参数。在变流器输出中低频时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制（IPD-SPWM）方法，并提出一种解决低调制度时最小脉宽问题的方法。在变频器输出高频时采用特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）方法来减小输出电压的总谐波畸变率（THD），并给出计算的开关角度轨迹。实验结果验证了该文研制的变流器所采用的拓扑结构设计和调制方法的可行性，表明变流器达到了设计要求，具有良好的性能。
关键词：集成门极换向晶闸管 中点钳位（NPC）/H桥 五电平 正弦脉宽调制 特定谐波消除脉宽调制
近年来，中高压大功率变流器在能源与电能变换、风能及光能等新能源接入、节能减排等国家能源战略中起到重要作用[1]，并广泛应用于大型油气管道输送、液化天然气压缩、大型风洞驱动、舰船推进等领域[2]。而在对控制精度和性能要求更高的场合，交直交变流器逐步取代交交变流器成为主流[3]。例如，在大型空气压缩机中，大功率高压同步电机成为普遍的选择，其容量一般能达到几兆瓦至数十兆瓦。因而，基于集成门极换向晶闸管（Integrated Gate-Commutated Thyristor, IGCT）的大功率变流器驱动系统成为一个有力的解决方案[4]。
IGCT属于电流控制型半导体器件[5]，因其更高的开关频率（可达1kHz）、更低的通态损耗和断态损耗、更简单的门极驱动电路等优势[6]，取代了门极关断晶闸管（Gate Turn-Off thyristor, GTO）在中高压大容量交直交变流器领域中的地位，并得到了广泛应用[7]。为提高效率，大功率变流器通常采用增加额定电压的方式来减少通态损耗。受电力电子器件耐压等级的限制，多电平拓扑结构成为大功率交流传动领域的首选方案[8]。将三电平中点钳位（Neutral-Point-Clamped, NPC）交直交变流技术和H桥级联技术相结合可以实现变流器输出更高等级的电压和容量[9]。
本文研究了基于IGCT的大功率五电平NPC/H桥变流器，设计了变流器的主电路拓扑结构，采用功率模块化结构设计减少主电路中的杂散电感。该变流器在低频输出时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制（Improved Phase Disposition-Sinusoidal Pulse Width Modulation, IPD-SPWM）策略，且提出了一种低调制度时解决最小脉宽问题的方法。在高频输出时变流器采用特定谐波消除脉宽调制（Selective Harmonic Elimination Pulse Width Modulation, SHEPWM）方法，减小开关次数的同时具有良好的谐波特性[10]。所研制的变流器已在大型轴流空气压缩机上进行工程示范应用。实验结果验证了变流器所采用的拓扑结构设计和脉宽调制方法的可行性，同时表明了所研制的变流器达到了设计要求，具有良好的性能。
本文研究的基于IGCT的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑如图1所示。电网电压经过变压器输入到变流器的整流电路。变流器包含三相相对独立的功率电路，每相电路都包含整流电路、直流电容、逆变电路及其他所需要的辅助电路部分。整流电路采用两组三相二极管不控整流桥，相当于12脉波不控整流。变流器三相电路的6组整流桥需要进线变压器提供6组输出作为整流的进线。变流器采用两台四绕组移相变压器，变压器一次侧分别采用三角形联结和星形联结，相位相差30°。每台移相变压器的3个二次绕组输出相位分别相差20°。通过这种方式，可达到等效36脉波不控整流电路的谐波消除效果，减小了入网电流的谐波畸变率。每相的逆变电路由两个三电平NPC桥臂组成H桥结构，其中左桥臂的输出连接到三相逆变公共端，右桥臂的输出作为变流器的该相输出。
图1 IGCT五电平NPC/H桥变流器拓扑
Fig.1 Topology of IGCT-based five-level NPC/H-bridge converter
本文研制的大功率变流器，采用型号为5SHY35L4520的IGCT功率器件，规格为4 500V/ 4 000A。变流器单相直流额定电压5kV，采用改进型载波层叠正弦脉宽调制（IPD-SPWM）且注入零序谐波时，其输出线电压提高15.5%，可达到6 900V的设计要求，输出相电流有效值可达到1.7kA，容量可达到20MV·A。
本文所研究的基于IGCT的大功率五电平NPC/H桥变流器，在研制中采用了模块化结构设计方式，将变流器中的三相二极管整流单元、直流电容、IGCT三电平NPC功率桥臂等，都设计成紧凑的功率模块，可以有效减小变流器线路的杂散参数，同时也减小了变流器的体积，提高了功率密度，且便于后期的维修和替换。以IGCT三电平NPC功率桥臂为例，每个桥臂中含有4个主开关功率器件IGCT，4个反并联续流二极管，两个中点钳位二极管，两组由电阻、电感、电容和二极管组成的RLCD缓冲吸收电路，最终设计的包含IGCT门极电源及水冷管路在内的三电平NPC功率模块如图2所示。
图2 IGCT三电平NPC功率模块
Fig.2 The power module of IGCT-based NPC leg
功率模块中的IGCT在2 500V、2 500A时的开关实验波形如图3所示。关断时端电压的第一尖峰约为3 300V，第二尖峰约为3 700V，而采用的IGCT器件的安全关断电压峰值为4 500V，保留有较大的安全裕度。这表明，IGCT功率单元采用的缓冲吸收电路参数和结构设计合理，能够保证变流器在额定电压和电流下安全运行。
图3 IGCT开关实验波形
Fig.3 Experimental waveforms of IGCT switching
在确定的变流器主电路拓扑结构下，决定变流器性能的关键技术就是脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）技术[11]。可应用于五电平NPC/H桥拓扑的PWM方法很多，主要有载波层叠正弦脉宽调制、改进型载波层叠正弦脉宽调制、空间矢量脉宽调制、特定谐波消除脉宽调制等方法[12]。本文从各个调制方法的实现难易程度、谐波特性、中点平衡能力等多方面考虑，最终确定了变频器在中低频输出时采用改进型载波层叠正弦脉宽调制（IPD- SPWM）、高频输出时采用特定谐波消除脉宽调制（SHEPWM）的混合调制方案。
两电平H桥电路通常采用一个载波和两个相差180°的调制波进行调制，实现输出电压等效开关频率提高一倍。这种倍频PWM技术可以进行一定调整后引入到五电平NPC/H桥单元中[13]。通过两个同相层叠的载波和两个相差180°的调制波调制就可以实现五电平NPC/H桥单元输出倍频的目的。两个相位相反的调制波分别用来调制变流器每相的两个三电平NPC桥臂。这种方法被称作改进型载波层叠（Improved Phase Disposition, IPD）调制[14]。
假设变流器理想的三相调制电压分别为uu、uv和uw，为了提高直流电压利用率从而提高交流输出电压，可以在调制电压中加入式（1）的零序偏置电压，将直流电压利用率提高15.5%。
（1）式中，max( ) 和min( ) 分别为求取三相调制电压的最大值和最小值。将三相调制电压分别叠加式（1）中的零序偏置电压，得到变流器最终三相的输出桥臂调制电压uru+、urv+和urw+；将其取反，就可以得到三相中公共输出桥臂的调制电压uru-、urv-和urw，其表达式分别为
（2）
以变流器U相为例，IPD-SPWM原理如图4所示，两个桥臂的调制波uru+和uru-分别与上下载波vc1和vc2进行调制。当调制波大于两个载波vc1、vc2时，桥臂输出正电平；当调制波小于上载波vc1而大于下载波vc2时，桥臂输出零电平；当调制波小于载波vc1和vc2时，桥臂输出负电平。
图4 IPD-SPWM原理
Fig.4 IPD-SPWM stragety
变流器低压实验中，调制度分别为0.3和0.85时，U相电压实验波形如图5所示。图中从上到下，分别为U相左桥臂电压、右桥臂电压和相输出电压波形。调制度为0.3较低时输出相电压为三电平，此时线电压为五电平。调制度为0.85较高时输出相电压为五电平，此时线电压为九电平。
图5 变流器U相电压实验波形
Fig.5 Experimental waveforms of U-phase
IGCT器件由于开关速度的限制，有最小脉宽的要求。当脉宽小于某阈值时，器件便可能无法正常开关，不能产生正确的PWM电压波形，且容易损坏器件。在IPD-SPWM策略中，调制度很低时，调制波幅值小，调制时容易产生小于阈值的脉冲。为了克服这个问题，低调制度时引入一种优化调制模式，低调制度优化调制原理如图6所示。以U相为例，假设理想的两个桥臂调制波分别为uru+和uru-，在低调制度优化调制模式中，将两个桥臂的调制波各自分解为上下两个调制信号，分别为
（3）
（4）
图6 低调制度优化调制原理
Fig.6 Modulation strategy with small modulation depth
在每个桥臂的调制中，如果分解后的两个调制波都大于载波，则输出正电平；如果两个调制波都小于载波，则输出负电平；否则输出零电平。
变流器低压实验中，调制度为0.1时采用低调制度优化调制模式，低调制度U相电压实验波形如图7所示，从上到下分别为左桥臂输出电压、右桥臂输出电压和相输出相电压。此时的驱动信号完全满足IGCT器件的最小脉宽要求。
图7 低调制度U相电压实验波形
Fig.7 Experimental waveforms of U-phase with small modulation depth
基于IGCT的大功率变流器开关频率较低，在输出频率很高时，每个周期内的开关次数较少，此时可以采用SHEPWM，以获得良好的谐波性能。令每相中两个桥臂的开关角数和输出电压有效值一致，可以保证两个桥臂器件开关损耗和输出功率的平衡。假设两个桥臂1/4周期内的开关角数都为N，联立两个桥臂的SHEPWM角度方程为
（5）式中，
；m为调制度，最高可达1.15；ak和bk分别为两个桥臂的第k个开关角；M为可选择消除的最高次谐波，且有M=6N-5，线电压中出现的最低次的两个谐波分别为6N-1和6N+1[15]。
利用Matlab软件的fsolve函数，求解出不同调制度下开关角数N=5和N=3的一组角度解轨迹如图8所示。
SHEPWM下，变流器低压实验中，调制度m=0.7且N=5和调制度m=0.95且N=3时的U相电压波形如图9所示。波形从上到下分别为U相左桥臂输出电压、右桥臂输出电压和相输出压波形。
图8 SHEPWM N=5和N=3时一组开关角度
Fig.8 Solution curves of switching angles when N=5 and N=3
图9 SHEPWM变流器U相电压波形
Fig.9 Voltage waveforms of U-phase with SHEPWM
本文研制的基于IGCT的大功率五电平NPC/H桥变流器样机包括进线柜、二极管整流柜、IGCT逆变柜1、直流电容柜和IGCT逆变柜2、放电柜、控制柜和水冷系统柜等，采用模块化设计，结构紧凑、体积更小、功率密度更高。大功率IGCT五电平NPC/H桥变流器样机如图10所示。
图10 大功率IGCT五电平NPC/H桥变流器样机
Fig.10 The prototype of IGCT-based five-level NPC/H-bridge converter
所研制的IGCT五电平NPC/H桥变流器在直流电压5 000V条件下，采用三相电抗器对称负载，输出电流峰值2 500A，有效值1 770A时，IGCT器件端电压和变流器输出电流波形如图11所示。
图11 IGCT端电压和变流器输出电流波形
Fig.11 The waveforms of IGCT voltage and output current of converter
变流器在额定直流电压5 000V时拖动高压同步电机机组输出电压实验波形，输出50Hz时，在1/4分压电阻上测得输出线电压和输出电流波形如图12所示。此时分压电阻上相电压有效值1.73kV，变流器输出线电压有效值达到6.9kV，满足设计要求。
本文对基于IGCT的大功率五电平NPC/H桥变流器进行研究，设计了主电路的拓扑结构，并采用模块化结构设计方式减少杂散参数。变流器输出频率较低时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制（IPD-SPWM）方法，并提出了一种解决低调制度时最小脉宽的方法。高频时采用SHEPWM方法，并给出了计算的开关角度解轨迹。实验结果验证了本文采用的模块化结构设计和调制方法的可行性，表明变流器达到了输出电压和功率容量的设计要求，具有良好的性能。
图12 同步电机负载实验变流器输出波形
Fig.12 The output waveforms of converter with synchronous motor load
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Investigation on IGCT-Based on Large Power Five-Level Neutral-Point-Clamped/H-Bridge Converter
Abstract With the combination of the three-level neutral-point-clamped (NPC) technology and H-bridge cascade technology, the five-level NPC/H-bridge converter can improve the output voltage and power capacity. In this paper, the topology of large power five-level NPC/H-bridge converter based on integrated gate-commutated thyristor (IGCT) was investigated, and the modular structure design was adopted to reduce the stray inductance. An improved phase disposition sinusoidal pulse width modulation (IPD-SPWM) method is used when the converter works at low and medium frequencies, and a method to solve the minimum pulse width problem with small modulation depth is proposed. The selective harmonic elimination pulse width modulation (SHEPWM) method is adopted to reduce the output voltage total harmonic distortion (THD) when the converter works at high frequency, and the trajectory curves of switch angles are given. The experimental results verify the feasibility of the topology design and pulse width modulation method proposed in this paper, and show that the converter meets the design requirements and has excellent performance.
keywords：Integrated gate-commutated thyristor (IGCT), neutral-point-clamped (NPC)/H-bridge, five- level, sinusoidal pulse width modulation, selective harmonic elimination pulse width modulation
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90329
中图分类号：TM464
兰志明 男，1979年生，博士，研究方向为中高压大功率变流器。E-mail: lanzhm1979@163.com（通信作者）
王成胜 男，1976年生，教授级高工，研究方向为中高压大功率变流器。E-mail: wangcs_arim@126.com
收稿日期 2020-07-09
改稿日期 2020-10-28
（编辑 陈 诚）