發布日期：2022-04-17 點擊率：114
采用晶閘管技術的GTO是常用的大功率開關器件，它相對于采用晶體管技術的IGBT在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應用的標準GTO驅動技術造成 不均勻的開通和關斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門極驅動單元，因而造成可靠性下降和價格較高的缺點。此外，也不利于串 聯以便用于更大容量的裝置。硬驅動概念的出現極大地改進了GTO的關斷性能。IGCT在GTO技術的基礎上，采用硬驅動技術，并將門極驅動電路、GTO芯 片和反并聯二極管集成于一體，結合了晶閘管的低通態損耗和晶體管均勻的關斷能力兩種優點，具有開關頻率高、損耗小、無需關斷吸收電路、串聯容易實現等優 點，已逐步取代GTO廣泛應用于中等電壓大容量變流器中。
1.IGCT過電壓箝位電路參數設計
鏈節的設計主要圍繞IGCT的安全運行進行，包括驅動電源、控制與保護電路的設計及箝位電路參數設計。IGCT控制與保護電路的設計應注意如下要求：
1)鏈節直流電容電壓必須在IGCT驅動電源完全建立之后建立;相反，IGCT驅動電源必須在鏈節直流電容完全放電之后關閉，否則，由于IGCT驅動電路的特殊機理，會導致IGCT誤導通進而導致橋臂直通，損壞IGCT。
2)控制電源上電過程中應防止產生異常高頻驅動脈沖信號，這會導致驅動功率放大部分功率器件損壞。
3)驅動脈沖處理電路要保證最小開通和最小關斷時間都大于10微秒。
4)當應用于二極管箝位三點平逆變器時，必須給內部6只IGCT施加正確的外觸發脈沖。
當不采用關斷吸收電路時，IGCT關斷過電壓箝位電路的布置必須仔細設計，確保其回路雜散電感小于IGCT參數表中推薦的值。
LA為陽極電抗，起到抑制IGCT開通電流上升率di/dt的作用，DA、CCL、RA起到IGCT關斷過電壓箝位的作用。IGCT箝位電路參數按如下方法設計：
1)陽極電抗
di/dtmax是IGCT和反并聯二極管允許的最大值。即在電壓型逆變器中，每個IGCT的導通都伴隨著一個二極管的關斷，因此必須考慮二極管關斷時允許的最大di/dt。
2)陽極電路與橋臂間的雜散電抗
越小越好。越大導致IGTC關斷損耗和第一個關斷過電壓越大，安全工作區越小。
3)箝位電路
當 直流側電容遠大于箝位電容且雜散電感可忽略時，陽極箝位電路可看成一個阻尼并聯諧振的RLC電路。一般的應用中，直流側電容遠大于箝位電容是成立的，但雜 散電感一般不可忽略。有時回路CD-CCL-RA中的雜散電感LS對關斷時IGCT陽陰極間的第二個過電壓峰值VDM的影響不能忽略。
然 而，不只要考慮VDM，還要考慮陽極電路到準備好下一次換流前所需的時間。當IGCT導通時，箝位二極管被強制從導通狀態或低電壓阻斷狀態變成高電壓阻斷 狀態。如果二極管正在導通，它此時關斷的di/dt只被LCL限制。在重復的工況下，這種應力可能會超過二極管允許的di/dt能力。因此，IGCT在關 斷后必須保持一個最小的關斷時間，以保證箝位二極管承受的關斷di/dt在允許范圍內。
知道箝位電抗值后，其他箝位電路元件參數可通過求解二階微分方程得到。
設定阻尼系數D為0.8，則如果RA-CCL-CD回路的雜散電感很小，就可得到一個可接收的關斷暫態過程。
最后，IGCT的最小關斷時間可設為等于阻尼振蕩的周期TD。
對5SHX08D4502型IGCT，選LA=12微亨，di/dt最大為230A/uS(直流電壓為2800V)，滿足要求。按以上計算方法并留出裕量，CCL選取為2微法，RA選為1.2歐，最小關斷時間選取必須大于25微秒。
對5SHY35L4510型IGCT，選LA=5微亨，di/dt最大為560A/uS(直流電壓為2800V)，滿足要求。按以上計算方法并留出裕量，CCL選取為10微法，RA選為0.65歐，最小關斷時間選取必須大于10微秒。
2.IGCT在NPC三電平逆變器中的應用
當 采用圖2所示的逆變器實現6kV異步電機的變頻調速時，每只IGCT必須采用兩只4500VIGCT串聯運行。為了保證串聯的IGCT能有好的均壓效果， 需要采用圖2所示的均壓電路。圖3給出了兩只5SHX08D4502型IGCT串聯運行時實測的關斷過程陽陰極電壓波形，表明只要采用適當的均壓電路參 數，IGCT在開關及過程中及關斷狀態均能保持良好的均壓效果。
由于NPC三電平逆變實現6kV變頻器時IGCT必須采用RC吸收電路保證其均壓，而RC吸收電路將導致NPC三電平逆變器內部六只IGCT在從續流狀態變為導通狀態時必須承受超過50A/uS上升的電流，因而必須采用外部脈沖重觸發。原因解釋如下：
在 任何電壓源逆變器中，當續流二極管導通時都可能引起門陰極負偏壓。在處于門陰極負偏壓情況下時將會發生：1)門極的損耗增加;2)門極電流只流過GCT 的陽極，而不流過其陰極;3)當電流由負電流(續流情況)向正方向過零點時，在GCT進入栓住狀態前，陽陰極電壓就開始上升(趨于關斷)。
為了在上述情況下能夠安全運行，在ABB公司的IGCT門極單元設計中加入了重觸發(re-trigger)設計：它1)檢測門陰極電壓極性VGK;2)當處于VGK負極性時減小門極電流;3)當VGK重新變為正向時，自動重新施加一個開通信號(內部重觸發)。
這個內部重觸發設計可以處理電流變化率小于50A/us的情況，如果IGCT處于續流狀態或低電流導通狀態時，有較大的di/dt的電流重復施加在IGCT上時，需要施加一個外部的重觸發信號[6]。
3.IGCT在50MVASTATCOM中的應用
3.1鏈節及其額定運行工況試驗
為 上海西郊變電站50MVASTATCOM的鏈式單元逆變器主電路圖。圖中逆變開關器件采用4500V/4000AIGCT-5SHY35L4510，反并 聯二極管采用5SDF16L4502，直流電容電壓為8000uF，LA、DA、RA和CCL構成陽極箝位電路，S和R構成直流電容放電電路。每相 IGCT閥由10個鏈節串連而成，其中2個為冗余運行鏈節，當發生鏈節故障時冗余鏈節自動投入。每相IGCT閥兩端連接一臺氧化鋅避雷器，用于對IGCT 閥進行瞬態過電壓保護。
為了有效地驗證鏈節在額定工況下運行時IGCT壓裝及連接工藝、控制電源、控制、保護、冷卻、電磁兼容等方面的設 計是否達到了技術標準的要求，需要對鏈接進行額定工況運行試驗[5]。試驗時兩個被試驗鏈節輸出通過一個連接電抗相連，其中一個鏈節的直流電容由外接直流 電源供電，另一個鏈節直流電容懸浮，通過控制兩個鏈節輸出電壓相位角來控制鏈節間交換的無功功率方向和大小，如圖5。兩個鏈節的損耗由直流電源DC提供。 試驗控制器進行控制，使得一個鏈節發出額定無功時，另一個鏈節吸收額定無功。每個鏈節發出和吸收額定無功各進行一遍。
3.2試驗結果
試驗時冷卻水系統流量：70L/M;去離子水電阻率：10.75MΩ。對50Hz和150Hz兩種開關頻率進行了試驗。
50Hz觸發脈沖時，容性工況的鏈節1右橋臂上IGCT管陽陰極電壓波形及輸出電流波形，最大關斷電流為2500A，關斷發生在直流電壓2500V時，IGCT關斷過電壓峰值為3400V。
為150Hz觸發脈沖時鏈節1輸出電壓和電流波形，最大關斷電流均為2500A，IGCT關斷過電壓峰值均小于3400V。
4.結論
IGCT 是將GTO技術和現代功率晶體管以及IGBT技術結合而產生的新一代大功率半導體器件，在將來的0.5MVA到幾百MVA的中高壓應用中，它將是關鍵的器 件。它固有的特性保證了大功率應用中大功率可關斷器件串聯連接的簡單和穩定性。同其它可關斷器件相比，由于還有成本低、復雜程度低以及高效率的優勢。 IGCT將在大功率FACTS裝置及大功率傳動裝置中得到廣泛的應用。
在50MVASTATCOM應用中，采用IGCT的鏈節已完成了其背 靠背額定工況運行試驗。鏈節各IGCT在關斷大電流時關斷過電壓在設計范圍內。在額定工況連續運行過程中，鏈節各部件和功率器件的溫升不大，無局部過熱現 象發生，水冷散熱情況良好，滿足鏈節運行要求。鏈節電子設備在高電壓強磁場環境下工作可靠，具有很好的抗干擾能力。鏈節試驗表明鏈節的設計和制造達到了技 術標準的要求。
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