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1、采用IGCT电压型逆变器的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89及大规模集成电路技术的发展, 使得采用高高直接变换方式实现高压(6 kV，10 kV)变频调速装置成为可能。与高低高变换方式的高压变频器相比， 高高变频器具有体积小、重量轻、效率高、性能价格比高等优点，因而得到越来越多的应用。国内也有多家公司推出了采用基于IGBT器件的单元串联单相桥式主电路结构的高压变频器产品，这种主电路结构由于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 Ga
2、te Commutated Thyristor）是90年代在晶闸管技术的基础上，结合IGBT5和GTO等成熟技术开发的新型器件。因此，它比IGBT更适合于高电压、大容量方面的使用。同时IGCT在GTO的基础上进行了重新优化设计，因而与GTO相比更具有开关状态损耗低、门极控制简单、关断速度快、主回路接线简单等优点。目前使用的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的安全运行，对交流电动机电源的变频改造可以改善启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的生产成本至关重要1。2IGCT子电路模型的建立2.1 IGCT结构与工作原理6 IG
3、CT是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管GCT10的总称，在工艺上采用了单元结构集成的方法，其阴极被细分为许多个单元胞，周围由门极包围，形成所谓多阴极的结构，整个芯片的外面是反并联的快速二极管。 IGCT的阳极PNP三极管，是一只高压大电流的三极管，N基区很厚，在关断之始，N基区有大量的存储电荷，这就需要阳极电流有一定时间(1-2s)去除这些电荷。由于其阴极NPN三极管anpn。值大，即比较灵敏，因此，在这个时间内，阴极三极管能够转出工作区，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是一个基极开路的PNP三极管。在开通阶段，数百安培的门极电流强脉冲迅速有效地使阴极N
4、PN三极管在晶闸管开关动作之前进入饱和区，即使在非常高的di/dt的情况下，开通损耗也几乎可以忽略。2.2 IGCT的建模及仿真 在本文中，建立IGCT模型2的目的是用来研究逆变器的动态行为特征，故采用了子电路模型对其进行仿真。又因IGCT的低电感(单元延迟可忽略)，对IGCT采用了单2T-3R仿真电路9。图1给出了ABB公司生产的型号为5SHX04D4502的IGCT仿真电路，VDRM=4500V ，ITGQM=630A。图1单2T-3R IGCT模型仿真电路 仿真结果如图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，从而较好地完成了对IGCT的仿真。但仍然存在
5、一些差异：仿真结果比较线性；未能更详细的给出阳极峰值电压之后的振荡过度过程。而用此模型去仿真逆变单元，将具有足够的精度。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的逆变单元图3IGCT逆变器逆变单元 本文所仿真的高压变频器的参数是根据火电厂风机系统确定的，设电压为6kV，容量为2MVA，每个功率单元中的逆变电路的原理接线如图3所示。与单一的整流逆变功率单元电路图相比，添加上实际电路中的轭流电路及杂散电感。为了观察逆变器中IGCT动态行为特征，在逆变器的仿真中采用了详细模型，如图3所示，图中的S1S4均采用图1所示单2T-3R仿真电路代替7，且反并联一快速
6、二极管，从而构成逆导型IGCT的PSpice模型，Rsnubber、Dclamp、Lsnubber、Cclamp分别是吸收电阻、箝位二极管、轭流电感和箝位电容，它们组成了逆变器的开通吸收回路，即轭流回路，Ls为电路中的杂散电感。图4简化的逆变器控制电路 由于对控制系统特性的仿真需要较长的时间，图4为简化的逆变器控制电路及调制信号，而本文中所关注的是逆变装置的特性，故在不失一般性的情况下可将控制环的行为用如图5(a)所示的固定的信号源代替。用表函数(ETABLE，图中的E1、E2)对比较器进行建模，用于比较两个输入端的三角波载波信号和正弦波参考信号的大小(信号如图5(b)所示)，并据此产生PWM
7、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的控制信号如图5(b)、5(c)所示，可以看出，二者是互补的。S2、S4的控制信号分别滞后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3IGCT仿真与分析 在仿真过程中，图5(a)中的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的幅值取10，即调制比m取0.8；VC的频率取值800Hz，即载波频率为800Hz。分别仿真了以下三种情况： （1）理想情况下，不
8、考虑线路的杂散电感，加载阻性负载Rload=20。仿真波形如图6所示。图6理想情况下仿真IGCT端部压图7杂散电感示意图 （2）考虑较大的杂散电感。图8 考虑杂感情况下的仿真波形，桥臂中的杂散电感对IGCT的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的示意图如图7所示。其中LS1为开通吸收电路中吸收电阻Rsnubber支路的杂散电感，其数值跟吸收电阻的选型有密切关系，一般在100500nH之间为换流回路的杂散电感，其数值跟主电路的机械结构设计有密切关系，一般在1001000nH之间：LS3为开通吸收电路中电容支路的杂散电感，其数值跟吸收电容的选型有密切关系，一般10050
9、0nH之间。在仿真过程中，分别取LS1=100nH，LS2=400nH，LS3=1000nH。同时加载感性负荷，Rload=20, Rload=10mH，其它参数同第一种情况一样，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）考虑一种故障情况，交流电源输入侧的中性点与交流输出侧LG滤波器中的电容接地接至同一接地网，当电容器的容量较大时，例如取9000F，其它参数也同第一种情况，图8(c) 为故障情况下的IGCT端部电压仿真波形，图8(d)为故障情况下的IGCT桥臂
10、电流。 由仿真结果可以看出，对于情况(1)即理想情况的仿真，与理想的理论结果相比，波形中出现了毛刺，这是由于电路中含有轭流电感的缘故，符合实际情况。情况(2)最接近现场情况，其所采用参数描述了结构比较松散，电缆杂散电感比较大的情况，其仿真结果与实测结果基本吻合。当负荷比较大时，由仿真结果可知，IGCT的端电压在某些点上己经超过VDRM(4500V)，IGCT可能击穿。在调试时，也测到了较大上升电压，仿真与实测相吻合。 情况(3)则是一种严重的故障状态，电流远大于ITGQM=630A。同时，IGCT所承受的电压在某些点上已超过VDRM(4500V)，IGCT必定会被击穿乃至烧毁。4结束语 通过仿真后试验结果的分析，可以得出以下结论： (1)IGCT不安装关断吸收电路，是有条件限制的，要求线路结构紧凑，杂散电感较小。当主换流杂散电感较大时，必须加装关断吸收回路。 (2)通过PSpice仿真，可以再现故障状态，并可以人为模拟故障状态，在电力电子产品的研发阶段，可找出有关的运行数据，为产品调试提供依据，同时还可以缩短研制周期，节约开发经费。邰晶更多请访问：中国自动化网()
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