大功率牽引變流器IGCT器件損耗模型

衛(wèi)煒，葛瓊璇，李耀華，趙魯，張波

（1.中國科學(xué)院電力電子與電氣驅(qū)動重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院電工研究所），北京 100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)電子電氣與通信工程學(xué)院，北京 100049）

在中高壓變頻調(diào)速領(lǐng)域，三電平中點(diǎn)鉗位（neutral point clamped，NPC）變流器因其輸出功率大、輸出電壓諧波含量小、電路結(jié)構(gòu)簡單、便于背靠背運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。德國學(xué)者Bruckner[2]進(jìn)一步地提出了三電平有源中點(diǎn)鉗位（active neutral point clamped，ANPC）結(jié)構(gòu)，將功率開關(guān)器件和鉗位二極管反并聯(lián)，比NPC結(jié)構(gòu)具有更多開關(guān)狀態(tài)和換流路徑，提高了變流器的輸出容量和容錯(cuò)能力[3]。由于控制難度相對較大，具有更多電平數(shù)的ANPC結(jié)構(gòu)[4]還沒有足夠的工程應(yīng)用。

變流器系統(tǒng)的性能與功率器件動態(tài)特性緊密相關(guān)，功率器件的開關(guān)速度和損耗特性決定了變流器系統(tǒng)的工作頻率、效率和功率密度[5]。近年來，研究者們多把目光放在應(yīng)用廣泛的晶體管類器件，如絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）或金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（metal oxide semiconductor field-effect transistor，MOSFET）等[6-7]。但在冶金傳動、直流輸電、軌道交通等領(lǐng)域，集成門極換流晶閘管（integrated gate commutated thyristor，IGCT）以其開關(guān)功率大、通態(tài)損耗低及浪涌能力強(qiáng)的優(yōu)勢逐漸發(fā)揮重要作用[8-9]。

IGCT器件的動態(tài)特性和開關(guān)損耗與器件半導(dǎo)體特性、溫度、緩沖吸收電路參數(shù)等因素相關(guān)[10-12]。文獻(xiàn)[10]研究了緩沖吸收電路參數(shù)對IGCT關(guān)斷特性的影響，但未涉及器件損耗計(jì)算，且未考慮器件溫度的影響。文獻(xiàn)[11]對比了IGCT和其他種類器件應(yīng)用于模塊化多電平變流器時(shí)的損耗特性，詳細(xì)分析了不同工作頻率下吸收電路損耗、通態(tài)損耗和開關(guān)損耗分布，指出IGCT器件的性能優(yōu)越性，但是其損耗計(jì)算公式只是基于器件參數(shù)手冊的比例折算，精確度較低。文獻(xiàn)[12]建立了一種基于查表法的IGCT器件電熱耦合模型，以器件門-陰極間電壓作為溫度敏感電參數(shù)，以較高的精度實(shí)現(xiàn)對器件全工作狀態(tài)下的溫度監(jiān)測和損耗評估，但是該方法所需提取參數(shù)較多、計(jì)算量較大。

本文以高速磁懸浮列車三電平牽引變流器使用的IGCT器件為研究對象，研究溫度、電壓、電流等因素對IGCT的動態(tài)特性和損耗特性的影響。本文建立了一種IGCT器件的損耗數(shù)值擬合模型，并引入逐步回歸方法對線性多項(xiàng)式進(jìn)行簡化。該模型基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，內(nèi)含器件特性和溫度的耦合作用，形式簡單、擬合度高，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)。相比直接利用手冊數(shù)據(jù)，本文提出的損耗模型精度更高，適用范圍更廣，可進(jìn)一步用于變流器系統(tǒng)損耗特性和控制策略的仿真分析。

1 牽引變流器及器件測試平臺

1.1 三電平IGCT變流器

本文研究的高速磁浮大功率牽引變流器采用三電平結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要包括三繞組輸入變壓器、整流器、直流濾波電容、緩沖吸收電路和逆變器。其中，整流和逆變單元均為基于IGCT器件的三電平ANPC結(jié)構(gòu)，三相獨(dú)立的RLCD電路是為保證IGCT和二極管安全工作而設(shè)置的緩沖吸收電路。

圖1 三電平ANPC變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 The topology of the three-level ANPC converter

大功率三電平變流器由水冷柜、整流柜、電容柜、逆變柜和控制柜共五個(gè)柜體組成，實(shí)物圖如圖2所示，模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使整個(gè)變流器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)緊湊，具有功率密度高、體積小、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 三電平ANPC變流器實(shí)物圖Fig.2 The figure of three-level ANPC converter

大功率三電平變流器使用的IGCT器件的額定電壓為4.5 kV，額定可關(guān)斷電流峰值4 kA，電流最大上升率為1 000 A/μs，最大允許工作結(jié)溫為125 °C。配套二極管的額定電壓4.5 kV，電流最大上升率為600 A/μs，最大允許工作結(jié)溫為140℃。變流器直流母線電壓保持5 000 V，輸出電壓頻率范圍0～356 Hz。

1.2 IGCT器件特性測試平臺

為研究不同的外部電路參數(shù)對IGCT器件的電壓及電流尖峰、器件損耗、導(dǎo)通及關(guān)斷過程時(shí)間等動態(tài)特性參數(shù)的影響，本文研究團(tuán)隊(duì)研制了一套單功率器件動態(tài)特性測試平臺，原理圖及實(shí)物圖如圖3所示，DUT代表被測器件，Dfwd為續(xù)流二極管，測試電路的主要參數(shù)如下：直流側(cè)電容Cdc=6.4 μF，緩沖電路電容Cs=10 μF，緩沖電路電阻Rs=0.45 Ω，緩沖電路電感Ls=5 μH，負(fù)載電阻Rload=0.15 Ω，負(fù)載電感Lload=0.5 mH。

圖3 單功率器件測試平臺Fig.3 Single power semiconductor switch test platform

單功率器件動態(tài)特性測試平臺可用于測試可承受直流電壓最高達(dá)3 kV、關(guān)斷電流峰值最高達(dá)4 kA的壓接式功率器件的動態(tài)特性。

測量實(shí)驗(yàn)時(shí)，放置臺上放入被測器件，操作區(qū)旋鈕控制液壓夾具固定壓力，穩(wěn)定后通過設(shè)置在夾具陰陽兩極的熱電偶對器件進(jìn)行加熱和溫度控制。器件端電壓和陽極電流分別由高壓差分探頭和羅氏線圈測量。通過上位機(jī)LabView交互界面調(diào)整測試參數(shù)，該平臺可測量并記錄開關(guān)器件的開通及關(guān)斷波形數(shù)據(jù)，用于后續(xù)分析不同外部參數(shù)對器件動態(tài)特性的影響。

本文以雙脈沖測試法研究在器件端電壓、導(dǎo)通電流、溫度等不同因素影響下IGCT器件的動態(tài)特性。典型的雙脈沖測試實(shí)驗(yàn)波形如圖4所示。

圖4 雙脈沖測試實(shí)驗(yàn)波形Fig.4 The waveforms of double-pulse test experiment

圖4中，直流側(cè)電壓預(yù)充值為2.5 kV，在電感負(fù)載的作用下，器件導(dǎo)通時(shí)電流呈線性增長。第二次導(dǎo)通時(shí)刻電流峰值達(dá)到3.04 kA，尖峰電流增幅接近20%；第二次關(guān)斷時(shí)刻電壓峰值達(dá)到3.4 kV，尖峰電壓增幅達(dá)36%。器件的動態(tài)特性分析主要針對第二次開通和關(guān)斷過程中的波形。

2 IGCT器件動態(tài)特性分析

器件的動態(tài)特性決定了變流器的工作頻率和死區(qū)時(shí)間的選擇范圍，并且可幫助估算變流器系統(tǒng)損耗和效率，為大功率變流器系統(tǒng)的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

使用IGCT器件特性測試平臺，在保證IGCT器件安全工作的條件下，本文設(shè)計(jì)并完成了器件導(dǎo)通及關(guān)斷特性的三因素多水平實(shí)驗(yàn)。因素一是器件溫度，依靠加裝在夾具陰陽兩極的高精度熱敏電阻測量，取25 °C，50 °C，75 °C，100 °C和125 °C五個(gè)溫度點(diǎn)；因素二是直流側(cè)電壓，由電壓傳感器測量，取2 000 V，2 500 V，2 800 V三個(gè)電壓點(diǎn)；因素三是關(guān)斷電流峰值，由羅氏線圈測量，取1 000 A，1 500 A，2 000 A，2 500 A和2 900 A五個(gè)電流點(diǎn)，每組實(shí)驗(yàn)條件下均重復(fù)多次。為保證測試條件的一致性，被測器件為同一個(gè)IGCT，測量工具能正確工作時(shí)不進(jìn)行更改操作。下面分別分析電流、電壓、溫度各個(gè)因素對器件動態(tài)特性的影響。

2.1 導(dǎo)通及關(guān)斷過程特性

為了分析IGCT器件的導(dǎo)通及關(guān)斷過程的波形變化特點(diǎn)，以溫度125 °C為例來說明，其余四組溫度下器件具有類似的特性。根據(jù)直流側(cè)電壓可劃分三組數(shù)據(jù)，對比分析得到在相同器件溫度和直流側(cè)電壓下，不同電流值對IGCT器件導(dǎo)通和關(guān)斷波形以及開關(guān)損耗的影響。

溫度125°C下，電壓分別為2 000 V，2 500 V，2 800 V時(shí)，不同電流下IGCT器件導(dǎo)通過程波形如圖5所示，其中，圖5a、圖5c、圖5e為電壓及電流波形，圖5b、圖5d、圖5f為瞬時(shí)功率波形。以圖5a為例說明，左半部分實(shí)線是器件電壓波形，右半部分虛線是器件電流波形，導(dǎo)通過程中不同電流下器件電壓變化較小，對差異相對較大部分放大處理，按箭頭方向?qū)?yīng)關(guān)斷電流峰值由1 000～2 900 A下的電壓波形。

從圖5的導(dǎo)通過程波形中可以看出，不改變測試電路內(nèi)電感值，相同電壓不同電流下器件電流上升率di/dt相同，相同電流不同電壓下器件電流上升率di/dt隨電壓增大而略有升高。另一方面，導(dǎo)通過程中的尖峰電流峰值主要受電流影響，存在正向線性關(guān)系，而不同電壓影響下的差距很小，如圖6所示。

圖5 不同測試條件下IGCT導(dǎo)通過程波形Fig.5 The waveforms during IGCT turn-on process under different testing conditions

圖6 不同電流下IGCT尖峰電流峰值（125℃）Fig.6 The peak values of IGCT current spike under different currents（125℃）

溫度125℃，電壓分別為2 000 V，2 500 V，2 800 V時(shí)，不同電流下IGCT器件關(guān)斷過程的電壓、電流及瞬時(shí)功率波形如圖7a～圖7f所示。以圖7a為例說明，左半部分虛線是器件電流波形，右半部分實(shí)線是器件電壓波形，對電壓快速上升部分進(jìn)行放大處理，按箭頭方向?qū)?yīng)關(guān)斷電流峰值1 000～2 900 A下的波形。

從圖7的關(guān)斷過程波形可以看出，不同電流下，器件電壓上升率du/dt隨著電流增加而增大。尖峰電壓的峰值與電流呈近似線性關(guān)系，隨電壓增加而增大，如圖8a所示；尖峰電壓的過沖值則主要與電流之間存在近似線性關(guān)系，隨著電壓增加而略有減小，如圖8b所示。

圖7 不同測試條件下IGCT關(guān)斷過程波形Fig.7 The waveforms during IGCT turn-off process under different testing conditions

圖8 不同電流下IGCT尖峰電壓（125°C）Fig.8 The voltage spikes of IGCT under different currents（125°C）

2.2 導(dǎo)通及關(guān)斷損耗特性

基于上面的實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，同樣以溫度125℃為例來說明，在相同器件結(jié)溫下，IGCT器件的導(dǎo)通損耗隨陽極電流及直流電壓的增加而增大，存在一定的近似線性關(guān)系，其變化曲線如圖9所示。

圖9 不同電壓及電流下導(dǎo)通損耗波形（125°C）Fig.9 The waveforms of turn-on loss under different values of current and voltage（125°C）

IGCT器件的關(guān)斷損耗同樣隨陽極電流及直流電壓的增加而增大，存在近似線性關(guān)系，其變化曲線如圖10所示。

圖10 不同電壓及電流下關(guān)斷損耗波形（125°C）Fig.10 The waveforms of turn-off loss under different values of current and voltage（125°C）

進(jìn)一步分析在相同電壓、電流下，不同的器件溫度對器件的導(dǎo)通及關(guān)斷損耗的影響。以直流電壓為2 500 V為例，在相同的電流下，導(dǎo)通損耗隨結(jié)溫變化趨勢如圖11所示，隨著結(jié)溫的增加，IGCT器件的導(dǎo)通損耗幾乎不變。

圖11 不同溫度及電流下導(dǎo)通損耗波形（2 500 V）Fig.11 The waveforms of IGCT turn-on loss under different values of temperature and current（2 500 V）

不同溫度及電流條件下，關(guān)斷損耗隨結(jié)溫變化趨勢如圖12所示，隨著結(jié)溫的增加，IGCT器件的關(guān)斷損耗與器件結(jié)溫之間滿足近似二次曲線規(guī)律。

圖12 不同溫度及電流下關(guān)斷損耗波形（2 500 V）Fig.12 The waveforms of turn-off loss under different values of temperature and current（2 500 V）

2.3 導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間特性

IGCT器件的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間是在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的另外一個(gè)指標(biāo)，對IGCT器件的死區(qū)時(shí)間設(shè)置具有重要的指導(dǎo)意義。綜合分析測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，IGCT導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間隨器件溫度、直流側(cè)電壓和陽極電流的變化趨勢分別如圖13、圖14所示。

圖13 IGCT導(dǎo)通時(shí)間Fig.13 The waveforms of IGCT turn-on time

圖14 IGCT關(guān)斷時(shí)間Fig.14 The waveforms of IGCT turn-off time

圖13、圖14中的每一層曲面表示在相同溫度下的開關(guān)時(shí)間與電壓電流的變化趨勢，由下至上分別對應(yīng)器件溫度25～125 °C?？梢钥闯?，導(dǎo)通及關(guān)斷時(shí)間與器件溫度均呈正相關(guān)；導(dǎo)通時(shí)間與陽極電流呈正相關(guān)，與直流側(cè)電壓關(guān)系不明顯；關(guān)斷時(shí)間與陽極電流關(guān)系不大，與直流側(cè)電壓呈負(fù)相關(guān)。

3 IGCT器件損耗模型

功率器件IGCT的損耗由通態(tài)損耗、開關(guān)損耗和斷態(tài)損耗組成，開關(guān)損耗又分為導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。由于器件的斷態(tài)漏電流極小，計(jì)算總損耗時(shí)可忽略斷態(tài)損耗。

3.1 通態(tài)損耗

器件數(shù)據(jù)手冊給出IGCT器件完全導(dǎo)通后通態(tài)壓降VT與流通電流IT之間的特性曲線，并給出如下式所示的擬合函數(shù)：

式中：VT，Tj為器件溫度Tj下的通態(tài)壓降；IT為器件流通電流瞬時(shí)值；ATj，BTj，CTj，DTj分別為對應(yīng)的擬合系數(shù)。

式（1）可滿足離線計(jì)算的需求，但運(yùn)算較為復(fù)雜，在線實(shí)時(shí)計(jì)算時(shí)有所不便。因此本文選擇以分段線性函數(shù)擬合通態(tài)壓降特性曲線。

不同溫度下的兩條通態(tài)壓降特性曲線在[1.85 V，1 318 A]處相交，以1 318 A為分界線，分段線性擬合IGCT的通態(tài)壓降與電流關(guān)系曲線，分別如下二式所示：

式中：VT，25，VT，125分別為器件溫度25℃，125℃下的通態(tài)壓降。

假設(shè)功率器件的通態(tài)壓降特性與器件溫度之間存在如下所示的線性關(guān)系：

式中：VT0，125，rT0，125分別為器件溫度125 °C時(shí)的初始飽和壓降和通態(tài)電阻；KVT，KrT分別為初始飽和壓降和通態(tài)電阻的溫度修正系數(shù)。

結(jié)合式（2）、式（3）可得下式所示溫度修正系數(shù)：

線性擬合曲線與手冊曲線對比如圖15所示，虛線為不同溫度的手冊最大值曲線，實(shí)線為不同溫度的線性擬合曲線。75°C特性曲線是根據(jù)線性擬合模型預(yù)測得到，符合IGCT通態(tài)壓降特性隨溫度的變化趨勢。

圖15 IGCT通態(tài)壓降擬合模型Fig.15 Fitting model of IGCT on-state voltage

IGCT器件的通態(tài)損耗計(jì)算公式如下式所示：

3.2 開關(guān)損耗

本文研究IGCT器件的參數(shù)手冊僅提供了在直流側(cè)電壓2 800 V，器件溫度125°C以及某組測試電路參數(shù)條件下的開關(guān)損耗特性曲線。通過手冊進(jìn)行推算通常按照下式進(jìn)行：

式中：VD為測試電路直流側(cè)電壓；Eswref為手冊參考電壓Vref和參考電流Iref下的器件單次開關(guān)損耗能量。

式（8）未考慮器件溫度因素，也無法準(zhǔn)確表示電壓影響，所得結(jié)果較實(shí)際工況下測量值偏大。

本文選擇將IGCT器件的開關(guān)損耗表示為關(guān)于電壓、電流和溫度的線性多項(xiàng)式形式，如下式：

式中：a1～a10為開關(guān)損耗二次多項(xiàng)式擬合系數(shù)；Vx，Ix，Tx由器件電壓、電流和溫度的歸一化處理所得，參考值分別為2 800 V，4 000 A，125°C。

由于式（9）所含系數(shù)較多，且包含所有子項(xiàng)的模型并不能保證最后所得到的解釋變量集是最優(yōu)解，故本文采用逐步回歸方法求解最優(yōu)解釋變量集。

逐步回歸的基本思想是將變量逐個(gè)引入模型，通過顯著性判定選擇解釋變量，包含兩個(gè)基本步驟：1）從回歸模型中剔出經(jīng)檢驗(yàn)不顯著的變量，或者引入新變量到回歸模型中；2）重復(fù)步驟直到所有顯著的解釋變量均被選入回歸方程，也沒有不顯著的解釋變量被剔除，最后所得到的解釋變量集就是最優(yōu)的。

本文引入逐步回歸的方法對擬合多項(xiàng)式進(jìn)行優(yōu)化，借助統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)判據(jù)剔除解釋效果不顯著的多項(xiàng)式子項(xiàng)。對于開關(guān)損耗擬合模型來說，本文提出以下判定假設(shè)：1）零假設(shè)H0：擬合模型無效項(xiàng)；2）備選假設(shè)H1：擬合模型有效項(xiàng)。

以0.05作為顯著性水平（pValue）判定標(biāo)準(zhǔn)，如果pValue＞0.05，表示無顯著性差異，承認(rèn)零假設(shè)H0；如果pValue＜0.05，表示有顯著性差異，拒絕零假設(shè)H0，接受備選假設(shè)H1。

由本文第2節(jié)內(nèi)IGCT器件的雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形計(jì)算可得不同測試工況下開關(guān)損耗，按溫度可分為25°C，50°C，75°C，100°C和125°C共5組。在相同的直流側(cè)2 800 V和器件溫度125°C，以及相似的測試電路參數(shù)條件下，本文所做的雙脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與IGCT參數(shù)手冊內(nèi)損耗特性曲線對比如圖16所示。

圖16 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與參數(shù)手冊IGCT關(guān)斷損耗特性對比Fig.16 The comparison of IGCT turn-off loss characteristic between experiment results and datasheet

由圖16可知，本文所做的雙脈沖實(shí)驗(yàn)結(jié)果與手冊內(nèi)的最大值曲線較為接近，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可信性，可作為IGCT器件的開關(guān)損耗擬合模型的數(shù)據(jù)源。本文從5組溫度數(shù)據(jù)中抽取75°C實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)組作為模型效果驗(yàn)證組，其余4組數(shù)據(jù)用于模型擬合計(jì)算，借助Matlab軟件構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)并進(jìn)行逐步線性回歸分析。

采用逐步線性回歸方法分析IGCT器件的關(guān)斷損耗，除Vx2項(xiàng)外其余子項(xiàng)均滿足顯著性判定。擬合模型參數(shù)如表1所示。表1中，第三列數(shù)值對應(yīng)a1～a10擬合系數(shù)，由于剔除了Vx2項(xiàng)，因此a8=0。

表1 IGCT器件關(guān)斷損耗模型擬合系數(shù)Tab.1 Fitting parameters of IGCT turn-off loss model

該組系數(shù)下擬合模型模型的均方根誤差（root mean squared error，RMSE）和決定系數(shù)（Rsquared，R2）分別為0.121和0.998。均方根誤差越接近0、決定系數(shù)越接近1代表模型的擬合度越高。因此，表1系數(shù)得到的IGCT器件關(guān)斷損耗模型與本文雙脈沖實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合度較高。

根據(jù)擬合模型預(yù)測IGCT器件溫度75 °C時(shí)的關(guān)斷損耗，與驗(yàn)證組數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖17所示?？梢钥闯?，擬合模型預(yù)測值誤差在±3%之內(nèi)，準(zhǔn)確度較高，可有效地根據(jù)實(shí)時(shí)工況計(jì)算IGCT器件的關(guān)斷損耗。

圖17 IGCT關(guān)斷損耗擬合模型預(yù)測值誤差Fig.17 Predicted value errors of IGCT turn-off loss fitting model

同樣方法分析IGCT器件的開通損耗，模型擬合系數(shù)如表2所示。

表2 IGCT器件開通損耗模型擬合系數(shù)Tab.2 Fitting parameters of IGCT turn-on loss model

由表2可以看出，僅部分與電壓相關(guān)的子項(xiàng)滿足顯著性判定，不包含溫度參數(shù)相關(guān)項(xiàng)。該組系數(shù)下擬合模型模型的均方根誤差RMSE和決定系數(shù)R2分別為0.062和0.985。

因此，本文以逐步回歸方法擬合得到的IGCT器件開關(guān)損耗計(jì)算公式如下式所示：

4 結(jié)論

本文針對高速磁浮領(lǐng)域大功率牽引變流器內(nèi)IGCT器件的動態(tài)特性展開研究，分析了不同電壓、電流、溫度條件下器件的損耗特性、導(dǎo)通及關(guān)斷過程時(shí)間特性，并通過曲線擬合方法建立了IGCT器件的損耗數(shù)值模型。該模型綜合考慮器件電壓、電流和溫度的影響，形式簡單易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)，建模方法具有可推廣性，為變流器系統(tǒng)損耗及效率分析打下基礎(chǔ)。