采用IGCT电压型逆变器的高压变频器仿真研究应用.doc

采用IGCT电压型逆变器高压变频器仿真研究
IGCT 高压变频器 Pspice建模与仿真

1  引言
    大功率电力电子器件[8][9]及大规模集成电路技术发展，使得采用高—高直接变换方式实现高压(6 kV，10 kV)变频调速装置成为也许。与高—低—高变换方式高压变频器相比， 高—高变频器具备体积小、重量轻、效率高、性能价格比高等长处，因而得到越来越多应用。国内也有多家公司推出了采用基于IGBT器件单元串联单相桥式主电路构造高压变频器产品，这种主电路构造由于IGBT器件数量多、信号调制复杂而使得整体可靠性较差，驱动能力低，其输出功率也因IGBT单管容量有限而受到限制。而IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristor）是90年代在晶闸管技术基本上，结合IGBT[5]和GTO等成熟技术开发新型器件。因而，它比IGBT更适合于高电压、大容量方面使用。同步IGCT在GTO基本上进行了重新优化设计，因而与GTO相比更具备开关状态损耗低、门极控制简朴、关断速度快、主回路接线简朴等长处。当前使用IGCT元件最高耐压水平为5.5kV，适合于大容量变频器使用。鉴于IGCT器件完好与否关乎变频器设备安全运营，对交流电动机电源变频改造可以改进启动性能，从而延长电动机使用寿命，减少公司生产成本至关重要[1]。

2  IGCT子电路模型建立

2.1 IGCT构造与工作原理[6]
    IGCT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管GCT[10]总称，在工艺上采用了单元构造集成办法，其阴极被细分为许各种单元胞，周边由门极包围，形成所谓多阴极构造，整个芯片外面是反并联迅速二极管。
    IGCT阳极PNP三极管，是一只高压大电流三极管，N基区很厚，在关断之始，N基区有大量存储电荷，这就需要阳极电流有一定期间(1-2μs)去除这些电荷。由于其阴极NPN三极管anpn。值大，即比较敏捷，因而，在这个时间内，阴极三极管可以转出工作区，这样当阳极电压上升时，就不会有任何阴极电流了，也就是说，在关断时IGCT是一种基极开路PNP三极管。在开通阶段，数百安培门极电流强脉冲迅速有效地使阴极NPN三极管在晶闸管开关动作之迈进入饱和区，虽然在非常高di/dt状况下，开通损耗也几乎可以忽视。
2.2 IGCT建模及仿真
    在本文中，建立IGCT模型[2]目是用来研究逆变器动态行为特性，故采用了子电路模型对其进行仿真。又因IGCT低电感(单元延迟可忽视)，对IGCT采用了单2T-3R仿真电路[9]。图1给出了ABB公司生产型号为5SHX04D4502IGCT仿真电路，VDRM=4500V ，ITGQM=630A。        

图1  单2T-3R IGCT模型仿真电路 
    仿真成果如图2(a)所示，它与IGCT实测关断波形(如图2(b)所示)相比较，基本吻合，从而较好地完毕了对IGCT仿真。但依然存在某些差别：仿真成果比较线性；未能更详细给出阳极峰值电压之后振荡过度过程。而用此模型去仿真逆变单元，将具备足够精度。

图2(a)  IGCT关断仿真波形 

图2(b)  实测IGCT关断波形
2.3 基于IGCT逆变单元

图3  IGCT逆变器逆变单元
    本文所仿真高压变频器参数是依照火电厂风机系统拟定，设电压为6kV，容量为2MVA，每个功率单元中逆变电路原理接线如图3所示。与单一整流—逆变功率单元电路图相比，添加上实际电路中轭流电路及杂散电感。为了观测逆变器中IGCT动态行为特性，在逆变器仿真中采用了详细模型，如图3所示，图中S1~S4均采用图1所示单2T-3R仿真电路代替[7]，且反并联一迅速二极管，从而构成逆导型IGCTPSpice模型，Rsnubber、Dclamp、Lsnubber、Cclamp分别是吸取电阻、箝位二极管、轭流电感和箝位电容，它们构成了逆变器开通吸取回路，即轭流回路，Ls为电路中杂散电感。

图4  简化逆变器控制电路
    由于对控制系统特性仿真需要较长时间，图4为简化逆变器控制电路及调制信号，而本文中所关注是逆变装置特性，故在不失普通性状况下可将控制环行为用如图5(a)所示固定信号源代替。用表函数(ETABLE，图中E1、E2)对比较器进行建模，用于比较两个输入端三角波载波信号和正弦波参照信号大小(信号如图5(b)所示)，并据此产生PWM控制信号，分别控制S1、S2 (IGCT单元)，用一压控电压源(E3、E4)控制端反接上述输出信号，其输出信号控制S3、S4 (IGCT单元)。S1、S3控制信号如图5(b)、5(c)所示，可以看出，两者是互补。S2、S4控制信号分别滞后S1、S3180°。       

图5(a)  正弦调制信号和三角载波信号

图5(b)  S1控制信号

图5(c)  S3控制信号

3  IGCT仿真与分析
    在仿真过程中，图5(a)中Vr1正弦调制信号电压 、Vr2为三角载波信号电压，幅值分别取8和10，VC幅值取10，即调制比m取0.8；VC频率取值800Hz，即载波频率为800Hz。分别仿真了如下三种状况：
    （1）抱负状况下，不考虑线路杂散电感，加载阻性负载Rload=20Ω。仿真波形如图6所示。

图6  抱负状况下仿真IGCT端部压

图7  杂散电感示意图
    （2）考虑较大杂散电感。图8 考虑杂感状况下仿真波形，桥臂中杂散电感对IGCT关断产生过电压大小和形状影响很大。逆变器一桥臂仿真电路中杂散电感示意图如图7所示。其中LS1为开通吸取电路中吸取电阻Rsnubber支路杂散电感，其数值跟吸取电阻选型有密切关系，普通在100~500nH之间为换流回路杂散电感，其数值跟主电路机械构造设计有密切关系，普通在100~1000nH之间：LS3为开通吸取电路中电容支路杂散电感，其数值跟吸取电容选型有密切关系，普通100~500nH之间。在仿真过程中，分别取LS1=100nH，LS2=400nH，LS3=1000nH。同步加载感性负荷，Rload=20Ω，Rload=10mH，其他参数同第一种状况同样，仿真波形如图8(a)和图8(b)所示。

图8(a)  IGCT端部电压

图8(b)  IGCT桥臂电流

图8(c)  IGCT端部电压(故障时)

图8(d)  IGCT桥臂电流(故障时)
    （3）考虑一种故障状况，交流电源输入侧中性点与交流输出侧LG滤波器中电容接地接至同一接地网，当电容器容量较大时，例如取9000μF，其他参数也同第一种状况，图8(c) 为故障状况下IGCT端部电压仿真波形，图8(d)为故障状况下IGCT桥臂电流。
    由仿真成果可以看出，对于状况(1)即抱负状况仿真，与抱负理论成果相比，波形中浮现了毛刺，这是由于电路中具有轭流电感缘故，符合实际状况。状况(2)最接近现场状况，其所采用参数描述了构造比较松散，电缆杂散电感比较大状况，其仿真成果与实测成果基本吻合。当负荷比较大时，由仿真成果可知，IGCT端电压在某些点上己经超过VDRM(4500V)，IGCT也许击穿。在调试时，也测到了较大上升电压，仿真与实测相吻合。
    状况(3)则是一种严重故障状态，电流远不不大于ITGQM=630A。同步，IGCT所承受电压在某些点上已超过VDRM(4500V)，IGCT必然会被击穿乃至烧毁。

4  结束语
    通过仿真后实验成果分析，可以得出如下结论：
    (1)IGCT不安装关断吸取电路，是有条件限制，规定线路构造紧凑，杂散电感较小。当主换流杂散电感较大时，必要加装关断吸取回路。
    (2)通过PSpice仿真，可以再现故障状态，并可以人为模仿故障状态，在电力电子产品研发阶段，可找出关于运营数据，为产品调试提供根据，同步还可以缩短研制周期，节约开发经费。

邰晶
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