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相較于傳統(tǒng)的兩電平變換器，多電平變換器突破了現(xiàn)有功率半導(dǎo)體器件的電壓等級限制，避免了開關(guān)器件的直接串聯(lián)動(dòng)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(yīng)用于中高壓、大功率電能變換的場合，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、無功補(bǔ)償、新能源發(fā)電并網(wǎng)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?fù)浔惶岢觯赃m應(yīng)不同應(yīng)用場合的要求。其中，有學(xué)者提出了一種V形鉗位多電平變換器（V-clamp Multilevel Converter, VMC）拓?fù)?。對比傳統(tǒng)的中點(diǎn)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(shù)量，有利于降低變換器體積并簡化控制復(fù)雜度，為中壓領(lǐng)域的應(yīng)用提供了一種優(yōu)選方案。

盡管以VMC為代表的多電平變換器具備上述諸多優(yōu)勢，但多電平變換器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，換流回路較長，引入了更多的雜散電感。當(dāng)變換器切換輸出電平時(shí)，較大的電流變化率（di/dt）使回路中的雜散電感感應(yīng)出電壓尖峰。該電壓尖峰疊加在關(guān)斷的IGBT器件兩端，造成瞬態(tài)電壓應(yīng)力增大，嚴(yán)重時(shí)會損壞開關(guān)器件，影響到變換器的安全運(yùn)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(shù)升高，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度上升，為母排的設(shè)計(jì)帶來了很大的困難，優(yōu)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(guān)器件的關(guān)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(gè)開關(guān)器件添加RC或RCD吸收電路，如應(yīng)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(yīng)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(guān)斷過電壓問題，但針對電平數(shù)較高的VMC拓?fù)洌m用性不佳。這是由于在高電平數(shù)的VMC中，其包含的IGBT開關(guān)器件數(shù)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(shù)量過多，這會大幅增加變換器的復(fù)雜程度，對變換器的成本和可靠性均造成了明顯的負(fù)面影響。

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)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(shù)學(xué)報(bào)》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(guān)器件劃分為主開關(guān)器件及相對應(yīng)的輔助開關(guān)器件。在電平切換的過程中，主開關(guān)器件動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)電流通路的切換，在每一對互補(bǔ)的主開關(guān)器件兩端添加吸收電容（構(gòu)成類似半橋開關(guān)能量緩沖單元），以抑制其關(guān)斷過電壓。而而主開關(guān)器件對應(yīng)的輔助開關(guān)器件則延遲關(guān)斷、提前開通，僅提供靜態(tài)電壓支撐的功能，不存在關(guān)斷過電壓的問題，因此無需吸收電路保護(hù)。

圖1 七電平VMC吸收電路方案

他們指出，通過這種調(diào)制方式，僅需要為主開關(guān)器件添加吸收電路。并且，由于VMC中互補(bǔ)動(dòng)作的主開關(guān)器件相互臨近，構(gòu)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(fù)兩端添加一個(gè)吸收電容支路即可實(shí)現(xiàn)其關(guān)斷過電壓的保護(hù)。

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(jìn)行分析說明和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，最后得出如下的結(jié)論：

1）由于VMC換流回路中的雜散電感，存在開關(guān)器件關(guān)斷過電壓的問題。

2）采用改進(jìn)的VMC調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)了對串聯(lián)開關(guān)器件的功能區(qū)分。主開關(guān)器件負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)輸出電平的切換，而輔助開關(guān)器件提前導(dǎo)通、延遲關(guān)斷，僅提供靜態(tài)電壓支撐的功能，避免了關(guān)斷過電壓的問題。改進(jìn)的VMC調(diào)制方法減少了所需保護(hù)的開關(guān)器件數(shù)量，簡化了吸收電路的設(shè)計(jì)難度。

3）通過在互補(bǔ)的主開關(guān)器件兩端添加吸收電容支路，構(gòu)成類似半橋開關(guān)能量緩沖單元的形式，有效抑制了主開關(guān)器件的關(guān)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(jié)構(gòu)簡單，成本低、可靠性高，便于向任意電平VMC中拓展，為VMC的實(shí)際應(yīng)用提供了有效的支撐，具有良好的工程實(shí)用性。

本文編自2022年第14期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)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(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和臺達(dá)電力電子科教發(fā)展計(jì)劃青年項(xiàng)目的支持。