北交大学者提出一种用于V形钳位多电平变换器的IGBT吸收电路方案

　　相较于传统的两电平变换器，多电平变换器突破了现有功率半导体器件的电压等级限制，避免了开关器件的直接串联动作；并且，其输出谐波特性较好、电磁干扰较小。因此，多电平变换器被广泛应用于中高压、大功率电能变换的场合，如电机驱动、无功补偿、新能源发电并网以及高压直流（High-Voltage Direct Current, HVDC）输电等。

　　近年来，不断有新型的多电平拓扑被提出，以适应不同应用场合的要求。其中，有学者提出了一种V形钳位多电平变换器（V-clamp Multilevel Converter, VMC）拓扑。对比传统的中点钳位（Neutral-Point Clamped, NPC）型与飞跨电容（Flying Capacitor, FC）型变换器，VMC大幅减少了钳位器件的数量，有利于降低变换器体积并简化控制复杂度，为中压领域的应用提供了一种优选方案。

　　

　　尽管以VMC为代表的多电平变换器具备上述诸多优势，但多电平变换器结构较为复杂，换流回路较长，引入了更多的杂散电感。当变换器切换输出电平时，较大的电流变化率（di/dt）使回路中的杂散电感感应出电压尖峰。该电压尖峰叠加在关断的IGBT器件两端，造成瞬态电压应力增大，严重时会损坏开关器件，影响到变换器的安全运行。

　　虽然采用叠层母排能够在一定程度上缓解上述问题，但是，随着变换器的电平数升高，其结构复杂程度上升，为母排的设计带来了很大的困难，优化效果有限。因此，有必要为多电平变换器添加吸收电路，以抑制开关器件的关断过电压，确保多电平变换器的正常工作。

　　目前，针对多电平变换器吸收电路的研究主要集中在三电平NPC、FC及T型变换器。一种方法是针对单个开关器件添加RC或RCD吸收电路，如应用于三电平NPC的3RCD吸收电路等；另一种方法是将两电平吸收电路拓展应用至多电平变换器中。

　　虽然这些吸收电路方案有效解决了三电平变换器的IGBT器件关断过电压问题，但针对电平数较高的VMC拓扑，适用性不佳。这是由于在高电平数的VMC中，其包含的IGBT开关器件数量较多，若仍然采用上述的吸收电路方案，所需添加的吸收器件总数量过多，这会大幅增加变换器的复杂程度，对变换器的成本和可靠性均造成了明显的负面影响。

　　北京交通大学电气工程学院的研究人员薛尧、王琛琛、杨晓峰、李凯、郑琼林，在2022年第14期《电工技术学报》上撰文，提出一种简单的VMC吸收电路方案。该方案巧妙利用了VMC的电平切换原理，将其开关器件划分为主开关器件及相对应的辅助开关器件。在电平切换的过程中，主开关器件动作以实现电流通路的切换，在每一对互补的主开关器件两端添加吸收电容（构成类似半桥开关能量缓冲单元），以抑制其关断过电压。而而主开关器件对应的辅助开关器件则延迟关断、提前开通，仅提供静态电压支撑的功能，不存在关断过电压的问题，因此无需吸收电路保护。

　　图1 七电平VMC吸收电路方案

　　他们指出，通过这种调制方式，仅需要为主开关器件添加吸收电路。并且，由于VMC中互补动作的主开关器件相互临近，构成类似两电平半桥变换单元。因此可以在该“半桥变换单元”的正负两端添加一个吸收电容支路即可实现其关断过电压的保护。

　　图2 VMC吸收电路方案的拓展

　　研究人员以七电平VMC为例，对该吸收电路方案进行分析说明和实验验证，最后得出如下的结论：

　　1）由于VMC换流回路中的杂散电感，存在开关器件关断过电压的问题。

　　2）采用改进的VMC调制方法，实现了对串联开关器件的功能区分。主开关器件负责实现输出电平的切换，而辅助开关器件提前导通、延迟关断，仅提供静态电压支撑的功能，避免了关断过电压的问题。改进的VMC调制方法减少了所需保护的开关器件数量，简化了吸收电路的设计难度。

　　3）通过在互补的主开关器件两端添加吸收电容支路，构成类似半桥开关能量缓冲单元的形式，有效抑制了主开关器件的关断过电压尖峰。

　　他们表示，该方案的吸收效果显著，所需器件较少，结构简单，成本低、可靠性高，便于向任意电平VMC中拓展，为VMC的实际应用提供了有效的支撑，具有良好的工程实用性。

　　本文编自2022年第14期《电工技术学报》，论文标题为“一种用于V形钳位多电平变换器的IGBT吸收电路方案”。本课题得到国家自然科学基金重点项目和台达电力电子科教发展计划青年项目的支持。

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