基于IGCT逆變技術(shù)的應(yīng)用研究

[摘 要]針對(duì)IGCT是高壓大功率逆變技術(shù)的主要器件，提出了將IGCT等效為開關(guān)信號(hào)延時(shí)電路、開通暫態(tài)電路、關(guān)斷暫態(tài)電路和穩(wěn)態(tài)電路四個(gè)電路，構(gòu)建了IGCT的電路及模型，并分析了高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中常見的三電平主電路結(jié)構(gòu)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

[關(guān)鍵詞]逆變技術(shù);IGCT;特性分析;建模;變頻調(diào)速

[中圖分類號(hào)]TM464 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

1 引言

根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，隨著工業(yè)生產(chǎn)和國民經(jīng)濟(jì)的迅速增長，全國能源消費(fèi)量平均年增長為5.2%，現(xiàn)有風(fēng)機(jī)、泵類等通用機(jī)電設(shè)備年均耗電量約占工業(yè)總耗電量的50%。因此工業(yè)用電節(jié)能的重點(diǎn)就是減少或降低風(fēng)機(jī)、泵類等常用設(shè)備的耗電量。變頻調(diào)速技術(shù)對(duì)于節(jié)能具有重要的意義。

節(jié)能的一項(xiàng)重要技術(shù)就是逆變技術(shù)的變頻調(diào)速，而高壓大功率逆變技術(shù)的主要器件就是IGCT。因此研究逆變技術(shù)在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用是非常必要的。

隨著電力電子技術(shù)及電力半導(dǎo)體器件在高電壓、大電流、高頻率、模塊化等方面水平的提高，電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速裝置特別是高壓變頻調(diào)速裝置從本質(zhì)上改變了異步電動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)的控制方式，其節(jié)能效果明顯、可靠性高、操作簡單、啟動(dòng)電流小、功率因數(shù)高，調(diào)速特性優(yōu)良、保護(hù)功能完善、容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制等優(yōu)越的特性被越來越多的用戶青睞。

因此，研究逆變技術(shù)在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重大理論意義和實(shí)用價(jià)值。

2 IGCT特性分析

2.1 IGCT的結(jié)構(gòu)

IGCT，即集成門極換流晶閘管，是集成門極驅(qū)動(dòng)和門極換流晶閘管的總稱。而GCT則是基于平板型電力晶體管（GTO）的器件，如圖1所示。IGCT在其陰極串聯(lián)25只N溝道MOSFET管，在其門極串聯(lián)7只P溝道MOSFET管充當(dāng)ZENER管的功能，其等效原理如圖2所示何意。

2.2 IGCT的動(dòng)作原理

與GTO相比較，IGCT的導(dǎo)通機(jī)理相同，而關(guān)斷機(jī)理則大為不同。IGCT的工作主要取決于GCT的工作過程，因此IGCT的動(dòng)作原理可以像GCT那樣，近似地用兩個(gè)晶體管的動(dòng)作過程來描述，如圖3所示。

在開通時(shí)，正強(qiáng)電壓初期瞬時(shí)施加于門極，GCT呈現(xiàn)NPN晶體管狀態(tài)，此時(shí)，晶體管作用占優(yōu)。導(dǎo)通之后，強(qiáng)烈的正反饋?zhàn)饔檬箖蓚€(gè)晶體管都達(dá)到飽和導(dǎo)通狀態(tài)。因此，可將GCT的導(dǎo)通狀態(tài)等效地看作類似晶閘管一樣的正反饋開關(guān)?？梢?，IGCT具有導(dǎo)通能力強(qiáng)、通態(tài)壓降低的突出優(yōu)點(diǎn)。

IGCT的開關(guān)速度可比普通GTO快10倍。這是由于IGCT在關(guān)斷時(shí)采用了去“GTO區(qū)”技術(shù)，即在陰極NPN晶體管完全停止注入電荷之前，整個(gè)陽極電流由陰極迅速轉(zhuǎn)向門極。因此可以等效地認(rèn)為GTO沒有中間區(qū)，即無緩沖關(guān)斷。

IGCT處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，GCT門極、陰極PN結(jié)提前進(jìn)行反向偏置，并有效地將電流截止，退出工作，整個(gè)器件呈晶體管方式工作。與GTO以晶閘管方式承受阻斷電壓相比較，極大地加快了關(guān)斷過程。IGCT的導(dǎo)通和關(guān)斷示意圖如圖4所示。

通過分析可知，IGCT的突出優(yōu)點(diǎn)是：攜帶電流能力強(qiáng)、通態(tài)壓降低和開關(guān)速度快。因此，IGCT特別適合高壓大功率變頻裝置。

3 IGCT的建模

PSIM具有分析能力強(qiáng)、仿真速度快、可進(jìn)行模數(shù)混合信號(hào)仿真等突出優(yōu)點(diǎn)。構(gòu)建基于PSIM的IGBT模型必須考慮四個(gè)過程：（1）門極信號(hào)延時(shí);（2）開通/關(guān)斷穩(wěn)態(tài);（3）開通過程;（4）關(guān)斷過程。

基于PSIM的IGCT模型結(jié)構(gòu)見圖5所示。IGCT模型主要由靜態(tài)模擬電路、延時(shí)時(shí)間模擬電路、開通暫態(tài)控制模擬電路以及關(guān)斷暫態(tài)控制模擬電路等四大模塊（電路）過程。

3.1 延時(shí)模擬電路

建立基于PSIM的IGCT仿真模型時(shí)，采用延時(shí)和邏輯電路，使仿真過程盡量實(shí)際開通關(guān)斷過程。延時(shí)時(shí)間模擬電路如圖6所示。在圖6中，門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸入端口為G，輸出端口分別為Gon、Goff，其中Gon為靜態(tài)模擬電路和開通暫態(tài)模擬電路的輸入端口，而Goff為關(guān)斷暫態(tài)模擬電路的輸入端口。圖7是IGCT仿真模擬的控制信號(hào)延遲電路輸出波形圖。從圖7（a）中可看出，在器件開通過程中，延遲時(shí)間t1（t1約取2μs）之后，控制信號(hào)轉(zhuǎn)變成IGBT器件的門極信號(hào)。而在器件關(guān)斷過程中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)需要延時(shí)t2（t2約取5.5μs）。t1就是IGBT的開通延時(shí)時(shí)間tdon，而t2則是其關(guān)斷延時(shí)時(shí)間tdoff。

3.2 開通暫態(tài)控制模擬電路

IGCT的開通暫態(tài)控制模擬電路如圖8所示。當(dāng)Gon為1時(shí)，IGCT的開通暫態(tài)控制模擬電路可等效為一個(gè)二階電路，由圖8可寫出電容C1上的電壓uC為變量的二階微分方程：

解此微分方程可得：

通過分析可知，IGCT的開通暫態(tài)過程，可以通過IGCT開通暫態(tài)控制模擬電路來模擬。

3.3 關(guān)斷暫態(tài)控制模擬電路

IGCT在關(guān)斷中，其陽極電流變化非常復(fù)雜。為了盡量接近真實(shí)關(guān)斷過程，采取分時(shí)間段的模擬方法，來構(gòu)建關(guān)斷暫態(tài)控制模擬電路，即第一時(shí)間段模擬下降電流，第二時(shí)間段模擬拖尾電流。關(guān)斷暫態(tài)控制模擬電路如圖9所示。

3.4 靜態(tài)模擬電路

所謂IGBT的靜態(tài)，是指IGBT的徹底導(dǎo)通狀態(tài)或徹底關(guān)斷狀態(tài)。靜態(tài)導(dǎo)通時(shí)，IGCT管壓降很小，可認(rèn)為近似為零;靜態(tài)關(guān)斷時(shí)，IGCT陽極電流很小，也可認(rèn)為近似為零。這樣一來，就可采用理想開關(guān)、開關(guān)邏輯和受控電壓、電流源的組合，來模擬IGCT的開通和關(guān)斷暫態(tài)過程。

IGCT靜態(tài)模擬電路如圖10所示。圖10中，受控源VCVS、VCCS與電壓傳感器、電流傳感器和理想開關(guān)等，構(gòu)成了IGCT的靜態(tài)模擬電路。門極信號(hào)Gon為高電平時(shí)，電壓源VCVS開始工作，其電壓由開通暫態(tài)模擬控制電路所控制，并由端口VP、VN輸入電壓;當(dāng)門極信號(hào)為低電平時(shí)，電流源VCCS開始工作，其電流由開通暫態(tài)模擬控制電路所控制，并由端口IP、IN輸入電流。

4 IGCT逆變技術(shù)在高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用

交流電動(dòng)機(jī)的低壓變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)成熟。但在高壓變頻調(diào)速方面，受限于大功率器件的耐壓能力，高壓變頻器的主電路尚未形成廣泛認(rèn)可的、成熟的、一致的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前中高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主流是“交-直-交”變換結(jié)構(gòu)。中性點(diǎn)鉗位三電平PWM高壓變頻器主電路結(jié)構(gòu)如圖11所示。

逆變電路采用中性點(diǎn)鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）三電平脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）。主要特點(diǎn)：

（1）du/dt減小。與普通的兩電平結(jié)構(gòu)相比，NPC三電平結(jié)構(gòu)的輸出相電壓電平數(shù)由2個(gè)增加至3個(gè)，輸出線電壓電平數(shù)由3個(gè)增加到5個(gè)，每個(gè)電平幅值由整個(gè)直流母線電壓降低為原來的一半，開關(guān)頻率不變的條件下，輸出波形更接近正弦波。

（2）結(jié)構(gòu)簡化。與單元串聯(lián)多重化電壓源結(jié)構(gòu)相比較，元器件數(shù)量大為減少。在無需串聯(lián)以提高耐壓的情況下，逆變橋路開關(guān)器件總數(shù)為12個(gè)，每個(gè)開關(guān)器件僅承受半直流母線電壓。

（3）可靠性提高。因?yàn)樵骷?shù)量大為減少。

根據(jù)當(dāng)前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平，輸出電壓要求為6kV時(shí)，采用12個(gè)功率器件不能滿足要求，必須采用器件串聯(lián)，該系統(tǒng)采用靜態(tài)均壓和動(dòng)態(tài)均壓方案很好地解決了IGCT串聯(lián)的問題。若將采用9kV耐壓等級(jí)的IGCT串聯(lián)將可進(jìn)一步擴(kuò)大輸出容量。

5 結(jié)論

本論文重點(diǎn)介紹IGCT逆變技術(shù)的高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用。首先介紹了IGCT的特性，并對(duì)IGCT進(jìn)行建模，構(gòu)建了基于PSIM的IGCT電路級(jí)模型;分析了常見的三電平結(jié)構(gòu)主電路，結(jié)果表明，與普通兩電平結(jié)構(gòu)相比，逆變電路采用中性點(diǎn)鉗位三電平脈寬調(diào)制，輸出電壓波形更接近正弦波，主電路結(jié)構(gòu)更為簡單，元器件數(shù)量也大為減少。

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[收稿日期]2019-01-11

[作者簡介]楊會(huì)玲（1978—），女，本科，教師，主要從事電力電子技術(shù)及電力機(jī)車控制等研究。