IGCT器件NPC三电平变流器直流限流方法比较分析

电气传动2018年第48卷第10期
摘要：集成门极换流晶闸管（IGCT ）比GTO 和HV -IGBT 有更多的优势，被广泛应用于中压大功率传动系统中。

在分析了中点钳位三电平逆变器拓扑结构和IGCT 结构的基础上，讨论了IGCT 逆变器缓冲电路的特点。

以仿真的手段对比2种缓冲电路，对缓冲电路的不足提出了解决方案。

关键词：集成门极换流晶闸管；三电平；中点钳位；缓冲电路中图分类号：TM4
文献标识码：A
DOI ：10.19457/j.1001-2095.dqcd18257
Comparison of DC Current Limiting Methods of NPC Three -level Converter Based on IGCT
YUAN Yuan 1，SONG Peng 1，JIANG Yida 1，WANG Ziman 1，TANG Shizhong 1，LI Jiapei 2（1.Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China ；
2.Shandong Iron and steel Group Rizhao Co.，Ltd.，Rizhao 276806，Shandong ，China ）
Abstract:The integrated gate commutated thyristor （IGCT ）is widely used in medium voltage high power drive
system ，which has more advantages than GTO or HV-IGBT.Based on the characters of the NPC （neutral point clamp ）
three -level inverter and structure of IGCT ，the character of the snubber circuit used in inverter with IGCTs was discussed.The two operational principle of snubber circuits used in typical products were compared by simulation ，and
then the solution of the shortage of snubber circuit was presented.
Key words:integrated gate commutated thyristor （IGCT ）；three -level ；neutral point clamp （NPC ）；snubber circuit
IGCT 器件NPC 三电平变流器直流限流方法比较分析
袁媛1，宋鹏1，姜一达1，王自满1，汤士忠1，李嘉沛2（1.天津电气科学研究院有限公司，天津300180；2.山东钢铁集团日照有限公司，山东日照276806）
作者简介：袁媛（1981-），女，硕士，高级工程师，Email ：yy1048@
高压大容量变频传动系统广泛应用于冶金、
矿井提升、造纸、石油开采、船舶推进等多种工业场合，研制高性能的大功率变频器对于节能降耗、全面提升工业水平具有重要意义［1］。

中、高压大容量变频器对功率器件的性能和电路拓扑结构都有更高要求，因此主回路采用多电平拓扑是中、高压变频器发展的方向。

其中基于集成门极换向晶闸管IGCT 的中点钳位三电平变频器在中高压变频器领域得到了广泛的应用。

IGCT 功率器件综合了GTO 和IGBT 的优点，比如开关速度快、通态电流大、承受电压高等［2-3］。

根据IGCT 器件开关特性可知开通时的电流变化率可以达到几kA/μs ，快速的电流变化率不仅会引起IGCT 局部过热，产生“热点”，损坏IGCT ；还会引起较大快速恢复二极管的反向恢复
电流，造成不必要的损耗，甚至损坏二极管。

为了使IGCT 在关断时的端电压和开通时的电流变化率在安全范围内，需要增加缓冲电路。

一般而言，在桥臂上串联电感，用于抑制电流变化率。

同时为了防止电流变化率感应出较高的电压引起IGCT 的动态电压过高，还需要增加RCD 吸收电路。

文献［4］介绍了一种能量可恢复的缓冲电路，该电路可以把能量全部回馈到直流侧，但是这种电路增加了可控器件，使主电路结构变得复杂；文献［5］列举了3种能量不可恢复的缓冲电路在ABB ，SIEMENS 和GE 的中压产品中的典型应用，但是对电路工作原理并未做详细的介绍。

本文以IGCT 二极管钳位三电平逆变器为研究
ELECTRIC DRIVE 2018Vol.48No.10
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电气传动2018年第48卷第10期
对象，选取了SIEMENS公司和GE公司的主电路拓扑，分析了这两家公司的产品特点，指出其各自存在的不足并给出解决方案，最后通过仿真软件搭建逆变器的仿真模型对分析内容做出验证。

1IGCT逆变器缓冲电路
IGCT器件是在GTO的基础上升级而来。

由于IGCT在结构设计上采用了缓冲层技术和透明阳极技术，在驱动设计上采用了“硬驱动”技术，这使得IGCT具有关断时间短、导通压降低、承受较高的d u/d t和过电压等特点［6］。

从IGCT使用手册上可以看出，IGCT有1个重要参数是d i T/d t cr，即IGCT开通时最大的d i/d t。

过大的d i/d t会引起局部导通出现“热点”而损坏IGCT。

然而在电压源型逆变器中，IGCT开通会引起相应二极管的关断，因此还需要对二极管关断过程的反向恢复电流d i/d t加以限制。

在实际应用中，通常采用串联电感的方式限制IGCT开通时的d i/d t；由于电感的引入，再加上电路中杂散电感的存在，IGCT在关断时会产生很大的关断过电压，为了抑制关断的过电压，还需要附加电压吸收电路［7］。

典型的IGCT缓冲电路如图1所示。

图1中，缓冲电路由缓冲电感L i和RDC电压吸收回路组成。

其中C dc为直流电容，L为负载电感，D1为续流二极管。

IGCT开通时，通过L i限制流经IGCT电流的变换率；IGCT关断时，负载通过二极管D1续流，限流电感的能量通过D s对C s充电，并由R s消耗部分能量。

2两种IGCT NPC逆变器主回路本节从共用限流电抗的角度出发，选取了SIE-MENS和GE两家的IGCT NPC三电平逆变器作为分析对象，两家产品拓扑分别如图2、图3所示。

图2为采用分散结构的逆变器主回路示意图。

该结构逆变器每个桥臂有单独的缓冲电路，结构对称，便于模块化设计。

从电气角度考虑，逆变器每个桥臂输出电压互不干扰，逆变器输出功率大。

SIEMENS最新研制的IGCT三电平高压变流器即采用这种结构。

图3为采用集中结构的逆变器主回路示意图。

该结构3个桥臂共用1个吸收电感，每个桥臂均有单独的电压吸收回路，结构相对对称。

从电气角度考虑，电感共用使逆变器桥臂输出电压相互影响，逆变器输出功率有所减小。

美国GE 公司应用于轧钢传动的Innovation系统高压变流器即采用这种结构。

显然，2种结构主要在缓冲电路方面有所区别，下面重点针对输出电压状态变化时缓冲电路的工作过程做暂态分析。

3IGCT逆变器缓冲电路分析
3.1分散电抗缓冲电路暂态分析
首先分析分散电抗结构中单个桥臂的开关暂态。

为了方便，做如下假设：1）电流流入负载方向为正方向；2）逆变器负载等效为恒流源。

在三电平逆变器中，通过对每相桥臂中电力电子开关器件的控制可以使桥臂输出端获得3种
图1IGCT缓冲电路原理图Fig.1Schematic diagram of IGCT snubber circuit
图2分散式电抗逆变器示意图Fig.2Schematic diagram of the inverter
with distributed reactance
图3集中式电抗逆变器示意图Fig.3Schematic diagram of the inverter with centralized
reactance
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电气传动2018年第48卷第10期
不同的电平（相对于直流电源中点）：
1）“P ”状态。

V 1，V 2导通，V 3，V 4关断，逆变器输出电压为P 点电压；
2）“O ”状态。

V 2，V 3导通，V 1，V 4关断。

逆变器输出电压为O 点电压；3）“N ”状态。

V 3，V 4导通，V 1，V 2关断。

逆变器输出电压为N 点电压［8-9］。

对于单个桥臂而言，根据其输出电压状态的变化，电路暂态有4种模式。

下面以i >0情况为例逐一说明，电路原理如图4所示。

模式1：状态由“P ”切换到“O ”，电流的流通通道
由P —L dc+—V 1—V 2切换到O —D 5—V 2。

在切换瞬间，由于电感L dc+电流不能突变，电感两侧会感生左负右正的电压，电感经D 7对C 3充电，并通过电阻R 1消耗一部分能量，产生附加的缓冲电流I 2和I 3，随着I 1的逐渐减小，I 4逐渐增加，最后完成换流。

模式2：状态由“O ”切换到“N ”，电流的流通通道由O —D 5—V 2切换到N —L dc -—D 3—D 4。

在切换瞬间，由于电感L dc -电流不能突变，电感两侧会感生左正右负的电压，此时电感经D 8通过电阻R 2消耗一部分能量，此时也会产生附加的缓冲电流I 5和I 6，随着I 4的逐渐减小，I 7逐渐增加，最后完成换流。

模式3：状态由“N ”切换到“O ”，电流的流通通道由N —L dc -—D 4—D 3切换到O —D 5—V 2。

在切换的瞬间，由于电感L dc -电流不能突变，电感两侧会感生左负右正的电压，此时不产生附加缓冲电流I 5和I 6，换流过程仅仅通过L dc -进行，随着I 7的逐渐减小，I 4逐渐增加，最后完成换流。

模式4：状态由“O ”切换到“P ”，电流的流通
通道由O —D 5—V 2切换到P —L dc+—V 1—V 2。

在
切换的瞬间，由于电感L dc+电流不能突变，电感两侧会感生左正右负的电压，此时不会产生缓冲电流I 2和I 3，换流过程仅仅通过L dc+进行，随着I 4的逐渐减小，I 1逐渐增加，最后完成换流。

对于i <0的情况，分析过程和上面的分析相似，这里不再赘述。

上面分析了单个桥臂状态切换的工作情况，按照以上分析，只需要合理设计L dc 的值就可以限制IGCT 和二极管的电流变化率d i /d t ，进而起到对器件的保护作用。

3.2集中电抗缓冲电路分析
采用半分散结构的逆变器，由于3个桥臂共用1个限流电抗，1个桥臂的状态变化会对其他桥臂产生影响。

本节以2个桥臂为例，从输出电压畸变和换流隐患2个方面进行分析。

3.2.1输出电压畸变
电压畸变情况的电路原理如图5所示。

设定A 相电流输出为正，B 相电流输出为负，两相电流大小相等。

两相存在稳态情况如下：A 相输出电压状态为“P ”，电流通道为P —L dc+—V 1—V 2；B 相输出电压状态为“P ”，电流通道为D 2—D 1—L dc+—
P 。

此时，B 相状态变化，由“P ”转为“O ”，B 相需要
通过电感完成换流，由于B 相电流减小，在电感两侧感应左正右负的感应电压，以阻碍B 相电流减小。

由于共用电抗，所以在此过程中A 相输出电压会因共用电感电压的变化而导致电压出现“缺口”，产生畸变。

若此时C 相输出状态也为“P ”，则输出相电压也可能会受到影响。

输出电压的缺失会导致逆变器输出的功率减小。

通过以上分析可知，每相桥臂输出的电压是直流电压和电感电压之和，共用电抗承担了限制
图4i >0时，单相电路工作原理图Fig.4Working principle diagram of single
phase bridge arm when i >0
图5
电压畸变情况电路原理图
Fig.5
Schematic diagram of circuit working under voltage
distortion
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电气传动2018年第48卷第10期
3个桥臂换流过程中d i/d t的作用，限流电抗电流变化必定会在电抗两端感生响应的电压。

所以某一相状态变化对电感电压有影响时必然会引起其他相输出电压的畸变。

为了减小电压畸变，需要对电压进行相应的补偿。

3.2.2换流隐患
换流失败情况电路原理如图6所示。

同样设定A相电流输出为正，B相电流输出为负，两相电流大小相等。

两相存在稳态情况如下：A，B相输出电压状态为“N”，两相短路，则电流通道经过B 相V3—V4—A相D4—D3流出；B相状态发生变化，由“N”变化到“O”，对应于B相V4关断，进行换流，暂态电流经B相V3—D6—A相C4—D8—D4—D3流出；A相状态发生变化，由“N”变化到“O”，A相V2管开通，此刻B相换流过程还未结束，电流瞬间经B 相V3—D6—A相D5—V2流出，而A相流经D3，D4的电流迅速减小至零，在极端条件下二极管可能产生较大的反向恢复电流d i/d t，损坏二极管。

综上所述，导致这一问题的原因是：由于共用直流限流电抗，当任意两相输出电压跳变暂态发生重叠时，电路中存在部分二极管支路的电流变换不受限流电抗约束，可能产生较大的d i/d t损坏功率二极管。

为了防止换流失败的出现，在对脉冲调制时需要增加相间脉冲变化时间，以保证换流完成。

4仿真结果与结论
为了便于说明问题，利用仿真软件，搭建了基于两种逆变器结构的仿真电路。

仿真电路中开关器件模拟ABB的IGCT器件（5SHY35L4510）特性，反并联二极管模拟（D1331SH45T）特性，电路直流电压U d=2400V，流过电感的最大电流I L=2000A。

缓冲电路的设计要求满足：
1）IGCT的开通电流上升率d i/d t小于1000 A/μs；
2）反并联二极管FRD的电流下降率d i f/d t< 5000A/μs；
3）IGCT关断电压U dm<4200V。

根据IGCT缓冲电路参数计算公式［10］，忽略电路中杂散参数的影响，可以得到缓冲电路的参数。

综合系统运行的工况得到系统仿真相关参数为：直流电压U dc=4800V，负载电流I load=2000A，直流电容C dc=14mF，限流电感L i=4μH，缓冲电容C s=10μF，吸收电阻R s=0.65Ω。

在本文的仿真中，采用电流源做为负载，针对上一节分析的几种电路运行工况进行了仿真，仿真结果如图7、图8所示。

图7和图8是对3.2.1节分析情况的仿真验证。

通过对两种结构的仿真分析可以得到，分散电抗结构的逆变器输出电压各相之间不受影响，而集中电抗结构的逆变器输出电压会受到其他相的影响。

这是电感本身的特性所决定的，总是在“阻碍”电流的变化，而变化的电流必然会产生感应电势。

暂态过程的变化取决于突变的电流的大小，电流突变越大引起的电势变化越大，电压“缺口”会越明显。

图中变化的电压尖峰接近2400V，严重影响了A相输出电压的大小。

图9为采用了集中电抗的电路仿真波形图。

可以看出，B相状态由“N”变化到“O”后，限流电抗电流
图6换流失败情况电路原理图
Fig.6Schematic diagram of circuit working in commutation failure
图7分散电抗结构电压畸变仿真波形Fig.7Simulation waveforms of the inverter with distributed reactance voltage distortion
图8集中电抗式逆变器电压畸变仿真波形Fig.8Simulation waveforms of the inverter with centralized reactance voltage
distortion
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电气传动2018年第48卷第10期
开始增加以完成对A 相的换流，经过10μs 之后换流值增加到500A ，此时A 相状态也由状态“N ”变化到状态“O ”。

由于换流过程还未完成，流经二极管D 4的电流瞬间从2000A 降到500A ，然后再经过电抗器的限流作用逐渐降到0A ，D 4电流的瞬变造成二极管的d i /d t 很大，远远大于二极管要求的电流下降率600A/μs 。

很容易损坏二极管，存在安全隐患。

由于换流失败的情况比较复杂，想要消除换流失败隐患，势必会增加系统的控制难度。

图10为分散电抗结构的仿真波形，仿真状态和图9相同。

由于采用了独立的电抗结构，换流过程采用自己的电抗，不存在干扰。

换流过程中反并联二极管的电流下降率为500A/μs ，小于仿真模型中采用的反并联二极管要求的电流变化率。

因此，在同样的情况下，A 相的电流通过限流电抗器逐渐完成换流，不存在安全隐患。

图11为缓冲电路换流过程仿真波形。

通过对实际电路的仿真得出换流过程大约需要50μs 。

详细参数见文献［7］，选取参数符合条件衰减最快的情况。

如果共用电抗结构的逆变器保证了脉冲调制过程不同相之间的状态变化时间应该大于50μs ，则不会出现二极管电流“突降”的情况。

本文分析了在IGCT 使用条件的基础上，介绍了应用于中压三电平IGCT 逆变器的2种缓冲
电路。

详细分析了缓冲电路的暂态换流过程，对
这2种缓冲电路的优缺点做了对比，最后通过仿真验证了2种缓冲电路的实际效果。

采用了分散电抗结构的逆变器，便于模块化设计，控制简单，输出电压互不影响，电路输出功率大，但是增加2个限流电抗器无疑会增加产品成本和空间，在一些功率密度要求高的场合不太适用；采用了集中电抗结构的逆变器虽然节约了系统的成本，节省了空间，但是增加了系统控制难度，降低了逆变器的输出功率。

综上所述，选择何种主电路结构需要在实际应用中做一个折中的考虑。

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图10分散电抗换流过程仿真波形Fig.10
Simulation waveforms of the inverter with
distributed reactance in commutation
process
图9集中电抗式逆变器换流过程仿真波形
Fig.9Simulation waveforms of the inverter with centralized
reactance in commutation
process
图11
缓冲电路换流过程仿真波形
Fig.11Simulation waveforms of snubber circuit
in commutation process
收稿日期：2017-08-29修改稿日期：2017-12-05
袁媛，等：IGCT 器件NPC 三电平变流器直流限流方法比较分析37。