- 頭條北交大學者提出一種用于V形鉗位多電平變換器的IGBT吸收電路方案2023-01-13 作者：薛堯、王琛琛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院的研究人員薛堯、王琛琛、楊曉峰、李凱、鄭瓊林，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種簡單的VMC吸收電路方案。該方案巧妙利用了VMC的電平切換原理，將其開關器件劃分為主開關器件及相對應的輔助開關器件。在電平切換的過程中，主開關器件動作以實現電流通路的切換，在每一對互補的主開關器件兩端添加吸收電容（構成類似半橋開關能量緩沖單元），以抑制其關斷過電壓。而而主開關器件對應的輔助開關器件則延遲關斷、提前開通，僅提供靜態電壓支撐的功能，不存在關斷過電壓的問題，因此無需吸收電路保護。
相較于傳統的兩電平變換器，多電平變換器突破了現有功率半導體器件的電壓等級限制，避免了開關器件的直接串聯動作；并且，其輸出諧波特性較好、電磁干擾較小。因此，多電平變換器被廣泛應用于中高壓、大功率電能變換的場合，如電機驅動、無功補償、新能源發電并網以及高壓直流（High-Voltage Direct Current, HVDC）輸電等。
近年來，不斷有新型的多電平拓撲被提出，以適應不同應用場合的要求。其中，有學者提出了一種V形鉗位多電平變換器（V-clamp Multilevel Converter, VMC）拓撲。對比傳統的中點鉗位（Neutral-Point Clamped, NPC）型與飛跨電容（Flying Capacitor, FC）型變換器，VMC大幅減少了鉗位器件的數量，有利于降低變換器體積并簡化控制復雜度，為中壓領域的應用提供了一種優選方案。
盡管以VMC為代表的多電平變換器具備上述諸多優勢，但多電平變換器結構較為復雜，換流回路較長，引入了更多的雜散電感。當變換器切換輸出電平時，較大的電流變化率（di/dt）使回路中的雜散電感感應出電壓尖峰。該電壓尖峰疊加在關斷的IGBT器件兩端，造成瞬態電壓應力增大，嚴重時會損壞開關器件，影響到變換器的安全運行。
雖然采用疊層母排能夠在一定程度上緩解上述問題，但是，隨著變換器的電平數升高，其結構復雜程度上升，為母排的設計帶來了很大的困難，優化效果有限。因此，有必要為多電平變換器添加吸收電路，以抑制開關器件的關斷過電壓，確保多電平變換器的正常工作。
目前，針對多電平變換器吸收電路的研究主要集中在三電平NPC、FC及T型變換器。一種方法是針對單個開關器件添加RC或RCD吸收電路，如應用于三電平NPC的3RCD吸收電路等；另一種方法是將兩電平吸收電路拓展應用至多電平變換器中。
雖然這些吸收電路方案有效解決了三電平變換器的IGBT器件關斷過電壓問題，但針對電平數較高的VMC拓撲，適用性不佳。這是由于在高電平數的VMC中，其包含的IGBT開關器件數量較多，若仍然采用上述的吸收電路方案，所需添加的吸收器件總數量過多，這會大幅增加變換器的復雜程度，對變換器的成本和可靠性均造成了明顯的負面影響。
北京交通大學電氣工程學院的研究人員薛堯、王琛琛、楊曉峰、李凱、鄭瓊林，在2022年第14期《電工技術學報》上撰文，提出一種簡單的VMC吸收電路方案。該方案巧妙利用了VMC的電平切換原理，將其開關器件劃分為主開關器件及相對應的輔助開關器件。在電平切換的過程中，主開關器件動作以實現電流通路的切換，在每一對互補的主開關器件兩端添加吸收電容（構成類似半橋開關能量緩沖單元），以抑制其關斷過電壓。而而主開關器件對應的輔助開關器件則延遲關斷、提前開通，僅提供靜態電壓支撐的功能，不存在關斷過電壓的問題，因此無需吸收電路保護。
圖1 七電平VMC吸收電路方案
他們指出，通過這種調制方式，僅需要為主開關器件添加吸收電路。并且，由于VMC中互補動作的主開關器件相互臨近，構成類似兩電平半橋變換單元。因此可以在該“半橋變換單元”的正負兩端添加一個吸收電容支路即可實現其關斷過電壓的保護。
圖2 VMC吸收電路方案的拓展
研究人員以七電平VMC為例，對該吸收電路方案進行分析說明和實驗驗證，最后得出如下的結論：
1）由于VMC換流回路中的雜散電感，存在開關器件關斷過電壓的問題。
2）采用改進的VMC調制方法，實現了對串聯開關器件的功能區分。主開關器件負責實現輸出電平的切換，而輔助開關器件提前導通、延遲關斷，僅提供靜態電壓支撐的功能，避免了關斷過電壓的問題。改進的VMC調制方法減少了所需保護的開關器件數量，簡化了吸收電路的設計難度。
3）通過在互補的主開關器件兩端添加吸收電容支路，構成類似半橋開關能量緩沖單元的形式，有效抑制了主開關器件的關斷過電壓尖峰。
他們表示，該方案的吸收效果顯著，所需器件較少，結構簡單，成本低、可靠性高，便于向任意電平VMC中拓展，為VMC的實際應用提供了有效的支撐，具有良好的工程實用性。
本文編自2022年第14期《電工技術學報》，論文標題為“一種用于V形鉗位多電平變換器的IGBT吸收電路方案”。本課題得到國家自然科學基金重點項目和臺達電力電子科教發展計劃青年項目的支持。
