采用IGCT電壓型逆變器的高壓變頻器仿真研究

1 引言

　　大功率電力電子器件［8］［9］及大規模集成電路技術的發展， 使得采用高—高直接變換方式實現高壓（6 kv，10kv）變頻調速裝置成為可能。與高—低—高變換方式的高壓變頻器相比，高—高變頻器具有體積小、重量輕、效率高、性能價格比高等優點，因而得到越來越多的應用。國內也有多家公司推出了采用基于igbt器件的單元串聯單相橋式主電路結構的高壓變頻器產品，這種主電路結構由于igbt器件數量多、信號調制復雜而使得整體可靠性較差，驅動能力低，其輸出功率也因igbt單管容量有限而受到限制。而igct（integratedgate commutatedthyristor）是90年代在晶閘管技術的基礎上，結合igbt［5］和gto等成熟技術開發的新型器件。因此，它比igbt更適合于高電壓、大容量方面的使用。同時igct在gto的基礎上進行了重新優化設計，因而與gto相比更具有開關狀態損耗低、門極控制簡單、關斷速度快、主回路接線簡單等優點。目前使用的igct元件最高耐壓水平為5.5kv，適合于大容量變頻器使用。鑒于igct器件完好與否關乎變頻器設備的安全運行，對交流電動機電源的變頻改造可以改善啟動性能，從而延長電動機的使用壽命，降低企業的生產成本至關重要［1］。

2 igct子電路模型的建立

　　2.1 igct結構與工作原理［6］

　　igct是集成門極驅動電路和門極換流晶閘管gct的總稱，在工藝上采用了單元結構集成的方法，其陰極被細分為許多個單元胞，周圍由門極包圍，形成所謂多陰極的結構，整個芯片的外面是反并聯的快速二極管。

　　igct的陽極pnp三極管，是一只高壓大電流的三極管，n基區很厚，在關斷之始，n基區有大量的存儲電荷，這就需要陽極電流有一定時間（1-2μs）去除這些電荷。由于其陰極npn三極管anpn。值大，即比較靈敏，因此，在這個時間內，陰極三極管能夠轉出工作區，這樣當陽極電壓上升時，就不會有任何陰極電流了，也就是說，在關斷時igct是一個基極開路的pnp三極管。在開通階段，數百安培的門極電流強脈沖迅速有效地使陰極npn三極管在晶閘管開關動作之前進入飽和區，即使在非常高的di/dt的情況下，開通損耗也幾乎可以忽略。

　　2.2 igct的建模及仿真

　　在本文中，建立igct模型［2］的目的是用來研究逆變器的動態行為特征，故采用了子電路模型對其進行仿真。又因igct的低電感（單元延遲可忽略），對igct采用了單2t-3r仿真電路［9］。圖1給出了abb公司生產的型號為5shx04d4502的igct仿真電路，vdrm=4500v，itgqm=630a。

　　仿真結果如圖2（a）所示，它與igct實測關斷波形（如圖2（b）所示）相比較，基本吻合，從而較好地完成了對igct的仿真。但仍然存在一些差異：仿真結果比較線性；未能更詳細的給出陽極峰值電壓之后的振蕩過度過程。而用此模型去仿真逆變單元，將具有足夠的精度。

2.3 基于igct的逆變單元

　　本文所仿真的高壓變頻器的參數是根據火電廠風機系統確定的，設電壓為6kv，容量為2mva，每個功率單元中的逆變電路的原理接線如圖3所示。與單一的整流—逆變功率單元電路圖相比，添加上實際電路中的軛流電路及雜散電感。為了觀察逆變器中igct動態行為特征，在逆變器的仿真中采用了詳細模型，如圖3所示，圖中的s1~s4均采用圖1所示單2t-3r仿真電路代替［7］，且反并聯一快速二極管，從而構成逆導型igct的pspice模型，rsnubber、dclamp、lsnubber、cclamp分別是吸收電阻、箝位二極管、軛流電感和箝位電容，它們組成了逆變器的開通吸收回路，即軛流回路，ls為電路中的雜散電感。

　　由于對控制系統特性的仿真需要較長的時間，圖4為簡化的逆變器控制電路及調制信號，而本文中所關注的是逆變裝置的特性，故在不失一般性的情況下可將控制環的行為用如圖5（a）所示的固定的信號源代替。用表函數（etable，圖中的e1、e2）對比較器進行建模，用于比較兩個輸入端的三角波載波信號和正弦波參考信號的大小（信號如圖5（b）所示），并據此產生pwm控制信號，分別控制s1、s2（igct單元），用一壓控電壓源（e3、e4）控制端反接上述輸出信號，其輸出信號控制s3、s4（igct單元）。s1、s3的控制信號如圖5（b）、5（c）所示，可以看出，二者是互補的。s2、s4的控制信號分別滯后s1、s3180°。

3 igct仿真與分析

　　在仿真過程中，圖5（a）中的vr1正弦調制信號電壓、vr2為三角載波信號電壓，幅值分別取8和10，vc的幅值取10，即調制比m取0.8；vc的頻率取值800hz，即載波頻率為800hz。分別仿真了以下三種情況：

　　（1）理想情況下，不考慮線路的雜散電感，加載阻性負載rload=20ω。仿真波形如圖6所示。

（2）考慮較大的雜散電感。圖8

　　考慮雜感情況下的仿真波形，橋臂中的雜散電感對igct的關斷產生過電壓大小和形狀影響很大。逆變器一橋臂仿真電路中雜散電感的示意圖如圖7所示。其中ls1為開通吸收電路中吸收電阻rsnubber支路的雜散電感，其數值跟吸收電阻的選型有密切關系，一般在100~500nh之間為換流回路的雜散電感，其數值跟主電路的機械結構設計有密切關系，一般在100~1000nh之間：ls3為開通吸收電路中電容支路的雜散電感，其數值跟吸收電容的選型有密切關系，一般100~500nh之間。在仿真過程中，分別取ls1=100nh，ls2=400nh，ls3=1000nh。同時加載感性負荷，rload=20ω，rload=10mh，其它參數同第一種情況一樣，仿真波形如圖8（a）和圖8（b）所示。

　　（3）考慮一種故障情況，交流電源輸入側的中性點與交流輸出側lg濾波器中的電容接地接至同一接地網，當電容器的容量較大時，例如取9000μf，其它參數也同第一種情況，圖8（c）為故障情況下的igct端部電壓仿真波形，圖8（d）為故障情況下的igct橋臂電流。

　　由仿真結果可以看出，對于情況（1）即理想情況的仿真，與理想的理論結果相比，波形中出現了毛刺，這是由于電路中含有軛流電感的緣故，符合實際情況。情況（2）最接近現場情況，其所采用參數描述了結構比較松散，電纜雜散電感比較大的情況，其仿真結果與實測結果基本吻合。當負荷比較大時，由仿真結果可知，igct的端電壓在某些點上己經超過vdrm（4500v），igct可能擊穿。在調試時，也測到了較大上升電壓，仿真與實測相吻合。

　　情況（3）則是一種嚴重的故障狀態，電流遠大于itgqm=630a。同時，igct所承受的電壓在某些點上已超過vdrm（4500v），igct必定會被擊穿乃至燒毀。

4 結束語

　　通過仿真后試驗結果的分析，可以得出以下結論：

　　（1）igct不安裝關斷吸收電路，是有條件限制的，要求線路結構緊湊，雜散電感較小。當主換流雜散電感較大時，必須加裝關斷吸收回路。

　　（2）通過pspice仿真，可以再現故障狀態，并可以人為模擬故障狀態，在電力電子產品的研發階段，可找出有關的運行數據，為產品調試提供依據，同時還可以縮短研制周期，節約開發經費。