基于平均值等效的IGCT-MMC損耗特性分析與計算

郭明珠，白睿航，唐博進(jìn)，趙彪，周興達(dá)，余占清，曾嶸

(1.中國長江三峽集團(tuán)有限公司科學(xué)技術(shù)研究院，北京100038；2. 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室(清華大學(xué))，北京100084)

0 引言

可再生能源利用是未來能源領(lǐng)域發(fā)展的大勢所趨。有預(yù)測指出，到2050年，中國可再生能源將占能源消費50%以上[1]。高壓直流電壓源型換流器(high voltage direct current voltage source converter，HVDC-VSC)以其調(diào)節(jié)靈活、諧波低、效率高等優(yōu)點，被廣泛用于可再生能源并網(wǎng)[2 - 3]。模塊化多電平換流器(modular multilevel converter, MMC)是HVDC-VSC技術(shù)的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之一[4 - 5]。目前，絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)以其高耐壓、高通流、高開關(guān)頻率、較低的開關(guān)損耗以及尚可接受的通態(tài)損耗等優(yōu)勢，在MMC中得到廣泛應(yīng)用[6 - 7]。

集成門極換流晶閘管(integrated gate-commutated thyristor，IGCT)是從門極可關(guān)斷晶閘管(gate turn-off Thyristor，GTO)發(fā)展而來的大功率全控型電力電子器件，由ABB公司于1996年首先成功研制[8 - 9]。相比于IGBT，IGCT器件具有流控器件的優(yōu)勢，例如通流能力更強(qiáng)、阻斷電壓更高、通態(tài)壓降更低，且存在進(jìn)一步發(fā)展?jié)摿10]。

MMC采用模塊化設(shè)計，依靠高模塊數(shù)量而非高調(diào)制頻率實現(xiàn)低諧波的電壓輸出，這規(guī)避了IGCT開關(guān)頻率低的不足，為IGCT應(yīng)用于柔性直流輸電領(lǐng)域帶來了契機(jī)。MMC的低開關(guān)頻率特性導(dǎo)致其運行時，器件的通態(tài)損耗占比相對更高，使用IGCT代替IGBT則有助于減小該部分損耗。目前，商品化的IGCT阻斷電壓已達(dá)6.5 kV，而IGBT僅為5.2 kV，基于IGCT器件的MMC有可能提高單模塊電壓等級，從而減少模塊數(shù)量，降低占地面積。此外，IGCT以其高浪涌電流耐受能力，還為半橋MMC的故障穿越提供了新的可能方案[11 - 12]。

文獻(xiàn)[13]對IGCT在柔性直流輸電領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了展望。文獻(xiàn)[14]對IGCT-MMC半橋子模塊拓?fù)?、電路特性等進(jìn)行了分析，搭建仿真模型進(jìn)行損耗分析，并搭建了對沖平臺進(jìn)行實驗。文獻(xiàn)[15]同樣通過搭建仿真模型的方式分析了IGCT-MMC的損耗。事實上，由于MMC子模塊數(shù)量巨大，通過仿真分析損耗運算量大，較為繁瑣。文獻(xiàn)[16]提出了一種通過平均值等效的方式計算子模塊各器件電流并分析損耗的方法，據(jù)此分析了基于IGBT的MMC器件損耗與結(jié)溫，并通過實驗進(jìn)行了驗證。

針對以上研究現(xiàn)狀，本文基于平均值等效的方法，分析了IGCT-MMC中的IGCT器件、緩沖電路、取能電源等各部分損耗的計算原理，給出了計算方法。結(jié)合具體工程參數(shù)，通過MATLAB編程給出了算例，并與模擬實際投切過程進(jìn)行仿真計算的結(jié)果進(jìn)行了對比。

1 基于平均值等效的IGCT-MMC損耗分析方法

1.1 基于IGCT的MMC子模塊

IGCT與IGBT同為全控型功率半導(dǎo)體器件，IGCT-MMC子模塊和IGBT-MMC子模塊在主電路拓?fù)渖舷嗤GBT為壓控器件，可通過控制其柵極觸發(fā)信號上升陡度來控制開通速率。而IGCT的開通過程類似于晶閘管，為正反饋過程，無法通過門極驅(qū)動電路控制其開通速率，因此，IGCT開通時，功率半導(dǎo)體器件中會產(chǎn)生很大的di/dt。

盡管當(dāng)前快恢復(fù)二極管和新型IGCT器件有較好的di/dt耐受能力，但過高的di/dt仍會導(dǎo)致其損壞，因而需要在換流回路中串入陽極電抗以限制電流變化速率[17 - 18]。陽極電抗會導(dǎo)致投切瞬態(tài)過程中產(chǎn)生振蕩，這可能引起器件過壓擊穿，故還需設(shè)置箝位電路以保護(hù)器件。陽極電抗與箝位電路統(tǒng)稱緩沖電路。一種設(shè)置了緩沖電路的IGCT-MMC子模塊拓?fù)淙鐖D1所示。

此外，IGCT通態(tài)中需要持續(xù)向門極注入電流，關(guān)斷時需要從門極抽出上千安培的電流，這使得其門極驅(qū)動功率可達(dá)數(shù)十瓦甚至上百瓦，大于IGBT的驅(qū)動功率。

由于評估IGCT-MMC子模塊損耗時，需要考慮緩沖電路與門極驅(qū)動損耗，因而其分析與計算過程更加復(fù)雜。

1.2 平均值等效模型

子模塊電流方向、投切狀態(tài)不同時，橋臂電流會流經(jīng)不同功率半導(dǎo)體器件，因而各半導(dǎo)體器件損耗存在差異。為計算損耗，需要分析流經(jīng)各器件的電流。橋臂電流方向決定了電流流經(jīng)的功率器件對(T2/D2或T2/D1)，投切狀態(tài)又進(jìn)一步確定了通流器件。具體情況如表1所示。選取電流流入子模塊為橋臂電流參考方向。

表1 不同狀態(tài)下電流流經(jīng)的功率器件Tab.1 Power devices with current passed in different states

以下橋臂為例(上橋臂類同)，定義瞬時調(diào)制比k為當(dāng)前該橋臂中投入模塊的數(shù)量在橋臂總模塊數(shù)中占比，可根據(jù)參考電壓算出。

(1)

式中：uacφ(t)為系統(tǒng)級控制在t時刻需要某一橋臂輸出的電壓值；udc(t)為此時該橋臂所有子模塊電容電壓之和。

在平均值等效模型中，認(rèn)為一個橋臂中，每一時刻下，所有子模塊被投入或切除的機(jī)會均等。在該前提下，任一時刻，各子模塊電流并非按照表3的規(guī)律全部流經(jīng)一個器件，而是“同時”流經(jīng)電流方向所決定的一對功率器件。電流在兩個功率器件間的分配由投切概率決定。若橋臂電流為iarm，定義sgn(x)為符號函數(shù)，當(dāng)x>0時為1，否則為0，abs(x)為絕對值函數(shù)，則平均值等效意義下，通流期間流經(jīng)器件對T1/D2的電流iT1-D2、流經(jīng)器件T1的平均電流IT1mean與均方根電流IT1rms可由下式計算。

iT1-D2=abs{sgn[-iarm(t)]×iarm}

(2)

iT1(t)=k(t)iT1-D2(t)

(3)

(4)

(5)

式(4)—(5)中，ti<0為1個基波周期內(nèi)橋臂電流小于0，也即電流流經(jīng)器件對T1/D2的時間段。使用該方法還可以得到流經(jīng)其他功率器件的電流。同理，也可得到全周期內(nèi)流經(jīng)陽極電抗的電流均方根值ILrms。

(6)

平均值等效模型還忽略了子模塊電容電壓波動。由于工程中通常要求子模塊電容電壓波動不超過10%，且子模塊電容電壓并非存在固定偏置，而是隨著電容充放電在額定電壓附近波動，因此，這樣的簡化不會給分析帶來過大誤差。

由于高壓大容量MMC中的模塊數(shù)通常有數(shù)百個，模擬各子模塊投切過程，進(jìn)而通過器件實際電流波形仿真計算其損耗的方法所需計算量大，特別是需要頻繁優(yōu)化電路參數(shù)并估算子模塊損耗時，所需的計算時間長。平均值等效模型只需要對單子模塊進(jìn)行計算，即可得到各個器件的損耗功率，適合于在換流器設(shè)計與優(yōu)化階段用以評估損耗。此外，平均值等效模型可以給出平均值意義下流經(jīng)器件的電流波形，從而直觀看出器件損耗差異的原因。

2 IGCT器件損耗分析

2.1 通態(tài)損耗

與IGBT器件通態(tài)損耗分析類似，導(dǎo)通的IGCT器件上存在壓降，這一壓降與IGCT通流為非線性關(guān)系，可以通過線性關(guān)系進(jìn)行擬合，即將器件導(dǎo)通壓降vX1分為門檻電壓vX0，以及斜率電阻rX乘以通流iX兩部分，其中X代表任一IGCT器件。

vX1=vX0+rXiX

(7)

進(jìn)而可得到器件通態(tài)損耗功率計算公式為：

(8)

第一部分可等效為電流向一個恒壓源充電，第二部分可看作電流流經(jīng)固定阻值的電阻。以T1為例，可以用其平均電流代替上式電流一次項，用均方根電流代替電流二次項，進(jìn)而得到通流時間ti<0內(nèi)IGCT通態(tài)損耗平均功率為：

(9)

在整個工作周期T內(nèi)，器件T1的通態(tài)損耗平均功率為：

(10)

2.2 開關(guān)損耗

IGCT開關(guān)瞬態(tài)過程非理想過程，存在電壓、電流重合的時間區(qū)段，這會引起開關(guān)損耗。開關(guān)損耗包括IGCT開通損耗、IGCT關(guān)斷損耗和二極管反向恢復(fù)損耗。通常，器件數(shù)據(jù)手冊中給出了特定電壓、電流下的開關(guān)損耗數(shù)據(jù)，在分析時需要將其折算至實際工況下的具體值Eb。

(11)

式中：下標(biāo)b代表IGCT開通、關(guān)斷、二極管反向恢復(fù)等行為；EbN為電壓VN；電流IN下行為b的損耗能量，由數(shù)據(jù)手冊給出；vb為開通前/關(guān)斷后器件電壓；ib為開關(guān)行為發(fā)生時開通/關(guān)斷的電流大小。若器件在固定電壓、電流下以固定頻率f開關(guān)，則其開通、關(guān)斷損耗功率Pb為：

(12)

對于MMC子模塊而言，vb為子模塊額定電壓VSM。在平均值等效模型下，以電流負(fù)向、將投入的子模塊切除為例，這一過程會關(guān)斷T1，電流轉(zhuǎn)移至D2。由于投切時刻隨機(jī)，T1關(guān)斷電流大小可以看作對于流經(jīng)T1-D2器件對電流的一次隨機(jī)采樣。從統(tǒng)計意義而言，T1關(guān)斷電流的大小即為T1-D2器件對通流時間內(nèi)的平均電流。僅當(dāng)電流為負(fù)向時，子模塊切除動作會導(dǎo)致T1關(guān)斷，因而T1的關(guān)斷頻率為：

(13)

進(jìn)而有：

(14)

3 緩沖電路損耗分析

3.1 陽極電抗直阻損耗

由于陽極電抗具有直流電阻，MMC運行時，流經(jīng)陽極電抗的電流會因焦耳效應(yīng)產(chǎn)生損耗PL，其計算公式為：

(15)

式中：RL為陽極電抗直流電阻。可以代入第1.2節(jié)的陽極電抗電流均方根值進(jìn)行計算，則：

PL=ILrms2RL

(16)

3.2 箝位電路動作損耗

箝位電路僅在子模塊投切的瞬態(tài)過程中動作，箝位電阻焦耳效應(yīng)、箝位二極管反向恢復(fù)均會導(dǎo)致能量損耗。文獻(xiàn)[19]指出箝位電路單次動作時，陽極電抗能量的70%耗散于箝位電路。則單次動作時箝位電路能量損耗Wcl為：

(17)

式中：La為陽極電抗感值；IL為子模塊投切時刻其陽極電抗的電流。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]的分析，每次投切瞬態(tài)過程均會引起箝位電路動作。因而箝位電路動作頻率為子模塊投切頻率的2倍。平均值等效模型中，箝位電路單次動作時陽極電抗的電流變化是對子模塊電流的隨機(jī)采樣，且單次損耗中電流為二次項，則箝位電路損耗Pcl可以由式(18)計算。

(18)

4 取能電源損耗分析

取能電源消耗的功率取決于其輸出功率。在IGCT-MMC子模塊中，驅(qū)動電源輸出功率大部分用于IGCT門極驅(qū)動。因此，需要準(zhǔn)確評估MMC工況中IGCT的門極驅(qū)動功率。

4.1 IGCT門極驅(qū)動原理與功耗分析

IGCT門極驅(qū)動主要包括開通模塊、關(guān)斷模塊，以及控保與供電等輔助電路。為確保IGCT可靠、迅速開通，開通時需要向門極注入脈沖電流。導(dǎo)通狀態(tài)下，為避免電流過零點時自然關(guān)斷，還需要注入穩(wěn)定的維持電流。關(guān)斷過程中，關(guān)斷模塊在門陰極間施加反壓，從而將陰極的工作電流抽出至門極，完成關(guān)斷。IGCT門極驅(qū)動原理示意如圖2所示。

圖2 IGCT門極驅(qū)動原理示意Fig.2 Principle of IGCT gate drive

根據(jù)原理分析，IGCT門極驅(qū)動功耗主要由以下5部分組成。

1)靜態(tài)功耗，即控制、檢測、保護(hù)等電路功耗，相對固定；

2)開通行為中，向門極注入脈沖電流的功耗，與開關(guān)頻率正相關(guān)；

3)導(dǎo)通狀態(tài)下，向門極注入穩(wěn)態(tài)電流的功耗，與占空比正相關(guān)；

4)關(guān)斷行為中，電容抽取門極電流產(chǎn)生的功耗，與開關(guān)頻率、關(guān)斷電流正相關(guān)；

5)開通電容充電電路、關(guān)斷電容充電電路、輸入穩(wěn)壓電路等產(chǎn)生的損耗，與以上4項均有關(guān)。

因此在忽略占空比因素的情況下，IGCT器件門極驅(qū)動功率與關(guān)斷電流、開關(guān)頻率均呈線性關(guān)系。

4.2 恒定電流下門極驅(qū)動功率計算公式

子模塊選用國內(nèi)某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的，具有失電阻斷能力與高浪涌耐受能力的IGCT-Plus器件。該器件數(shù)據(jù)手冊中給出不同開關(guān)頻率下，門極驅(qū)動功率-關(guān)斷電流圖如圖3所示。

圖3 IGCT門極驅(qū)動功率-關(guān)斷電流Fig.3 Power of IGCT gate drive-turn-off current

從圖3可以看出，頻率給定時，IGCT器件門極驅(qū)動功率與關(guān)斷電流近似為線性關(guān)系。根據(jù)圖中數(shù)據(jù)，還可以作出關(guān)斷電流給定時的門極驅(qū)動功率PG與開關(guān)頻率f關(guān)系如圖4所示。

圖4 IGCT門極驅(qū)動功率-開關(guān)頻率Fig.4 Power of IGCT gate drive-switching frequency

可見，在固定關(guān)斷電流下，門極驅(qū)動功率與開關(guān)頻率也為線性關(guān)系，這與理論分析相符。恒定通流下，IGCT門極驅(qū)動功率PG與關(guān)斷電流Ioff、開關(guān)頻率f在空間直角坐標(biāo)系中所形成的曲面為直紋面，其解析式為：

PG=k1+k2f+k3Ioff+k4fIoff

(19)

為提高擬合精度，取相距較遠(yuǎn)的4個數(shù)據(jù)點代入公式，求解線性方程組，即可得到4個常數(shù)值。最終擬合得到的門極驅(qū)動功率計算公式為：

PG=7.51+0.063 3f-0.005Ioff+0.086 7fIoff

(20)

式中：f單位為Hz；Ioff單位為kA；PG單位為W。

4.3 MMC工況中取能電源功率計算方法

根據(jù)第2.2節(jié)的分析，可以將IGCT對應(yīng)器件對的平均電流作為關(guān)斷電流，以及式(13)所確定的IGCT開關(guān)頻率代入式(20)，進(jìn)而計算該器件門極驅(qū)動功率。

將兩個IGCT門極驅(qū)動功率相加，并考慮控制板卡功率、取能電源效率，可以得到取能電源損耗。

需要注意的是，若式(4)、式(5)是對整個基波周期進(jìn)行積分與平均，得到器件電流平均值與均方根值，則在計算器件通態(tài)損耗、開關(guān)損耗時，不再需要進(jìn)行式(10)、(13)的折算，可直接在整個基波周期內(nèi)積分得到通態(tài)損耗、以子模塊投切頻率代替器件開關(guān)頻率計算開關(guān)損耗，這在IGBT-MMC中是可行的。但是，由于IGCT的門極驅(qū)動功率的計算公式(20)中含有獨立的f項與I項，這樣的方式會導(dǎo)致門極驅(qū)動功率計算不準(zhǔn)確。

5 IGCT-MMC損耗分析算例

5.1 損耗分析依據(jù)

本文基于表2所示的數(shù)據(jù)開展分析。

表2 某直流背靠背項目參數(shù)Tab.2 Parameters of a DC back-to-back project

所選用的IGCT器件為國內(nèi)某半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的CAC5000- 45Plus，反并聯(lián)二極管為德國某公司生產(chǎn)的D4600U，相關(guān)參數(shù)分別如表3—4所示。

表3 所用IGCT的特性參數(shù)Tab.3 Characteristic values of IGCT used

表4 所用二極管的特性參數(shù)Tab.4 Characteristic parameters of FWD used

為充分保護(hù)功率半導(dǎo)體器件，選用了0.6 μH感值的陽極電抗，以將IGCT開通過程的di/dt降至4 kA/μs以下，該電抗直流電阻40 mΩ。計算中，控制板卡功率取5 W，取能電源轉(zhuǎn)換效率取80%。

5.2 損耗分析結(jié)果

采用平均值等效的方法，用MATLAB編程計算IGCT-MMC子模塊損耗，計算結(jié)果如表5所示。為驗證基于平均值等效的損耗分析方法的可靠性，表中還將平均值等效計算與模擬實際投切過程進(jìn)行仿真計算得到的器件損耗結(jié)果進(jìn)行了對比，并以仿真計算結(jié)果為基準(zhǔn)計算了相對誤差。

表5 不同算法損耗計算結(jié)果與比較Tab.5 Loss calculation results by different algorithms and their comparison

MMC的橋臂電流存在直流偏置，且特定功率因數(shù)下，橋臂電流、電壓相位差固定，這導(dǎo)致各器件通流情況差異較大。以MMC逆變工況為例，橋臂電壓、電流如圖5所示。可以看出，橋臂電流直流分量為正，而電流正向時又對應(yīng)較低的投入占比，這使得T2器件電流很大，從而其損耗顯著偏高。

圖5 MMC逆變工況下橋臂電壓、電流示意Fig.5 Voltage and current of bridge arms in MMC inverter mode

與仿真計算相比，平均值等效計算的各項結(jié)果誤差均在4%以內(nèi)，而模塊總損耗誤差不到1%，這是由于仿真計算中，投切過程并不隨機(jī)，導(dǎo)致模擬出的器件投切時刻較理想模型有所偏差，又因為各個器件特性參數(shù)相近，這種偏差在計算總損耗時部分抵消了。對于不涉及具體投切時刻，僅根據(jù)電流計算的項目，如陽極電抗損耗、取能電源損耗，平均值等效模型都有較低的誤差，

總體看來，平均值等效模型具有很好的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)論

本文基于平均值等效模型，對IGCT-MMC運行過程中子模塊IGCT器件、緩沖電路、取能電源等損耗進(jìn)行了評估，并與模擬實際投切過程進(jìn)行仿真計算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，平均值等效模型得到的各項損耗與仿真計算結(jié)果誤差不超過4%，模塊總損耗誤差不超過0.5%。

本文采用的平均值等效的電流計算方法具有原理直觀，編程簡單，運算量小，準(zhǔn)確度高等優(yōu)勢，為IGCT-MMC子模塊設(shè)計與整機(jī)損耗評估提供了更加簡便準(zhǔn)確的方式。