IGCT在大功率电压源逆变器中的应用

摘   要：介绍了IGCT使用中应注意的事项及IGCT在两电平逆变器及中点箝位三电平逆变器应用中箝位电路的参数设计方法，分析了IGCT在中点箝位三电平逆变器应用中需要施加外触发的原因，给出了IGCT在6kV高压变频调速及50MVA STATCOM中的应用情况，并给出了大功率逆变器额定运行工况试验方法及试验结果。 
关键词：高压变频器，STATCOM，集成门极换向型晶闸管 
  
　　采用晶闸管技术的GTO是常用的大功率开关器件，它相对于采用晶体管技术的IGBT在截止电压上有更高的性能，但广泛应用的标准GTO驱动技术造成不均匀的开通和关断过程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收电路和较大功率的门极驱动单元，因而造成可靠性下降和价格较高的缺点。此外，也不利于串联以便用于更大容量的装置。硬驱动概念的出现极大地改进了GTO的关断性能。IGCT在GTO技术的基础上，采用硬驱动技术，并将门极驱动电路、GTO芯片和反并联二极管集成于一体，结合了晶闸管的低通态损耗和晶体管均匀的关断能力两种优点，具有开关频率高、损耗小、无需关断吸收电路、串联容易实现等优点，已逐步取代GTO广泛应用于中等电压大容量变流器中。 
　　本文介绍了IGCT使用中应注意的事项及IGCT在两电平逆变器及中点箝位三电平逆变器应用中箝位电路的参数设计方法，分析了IGCT在中点箝位三电平逆变器应用中需要施加外触发的原因，给出了IGCT在6kV高压变频调速及50MVA STATCOM中的应用情况，并给出了大功率逆变器额定运行工况试验方法及试验结果。
    1． IGCT过电压箝位电路参数设计
     
　　链节的设计主要围绕IGCT的安全运行进行，包括驱动电源、控制与保护电路的设计及箝位电路参数设计。IGCT控制与保护电路的设计应注意如下要求：
    1） 链节直流电容电压必须在IGCT驱动电源完全建立之后建立；相反，IGCT驱动电源必须在链节直流电容完全放电之后关闭，否则，由于IGCT驱动电路的特殊机理，会导致IGCT误导通进而导致桥臂直通，损坏IGCT。
    2） 控制电源上电过程中应防止产生异常高频驱动脉冲信号，这会导致驱动功率放大部分功率器件损坏。
    3） 驱动脉冲处理电路要保证最小开通和最小关断时间都大于10微秒。
    4） 当应用于二极管箝位三点平逆变器时，必须给内部6只IGCT施加正确的外触发脉冲。
    
　　当不采用关断吸收电路时，IGCT关断过电压箝位电路的布置必须仔细设计，确保其回路杂散电感小于IGCT参数表中推荐的值。
　　LA为阳极电抗，起到抑制IGCT开通电流上升率di/dt的作用，DA、CCL、RA起到IGCT关断过电压箝位的作用。IGCT箝位电路参数按如下方法设计：
    1）阳极电抗
　　di/dtmax是IGCT和反并联二极管允许的最大值。即在电压型逆变器中，每个IGCT的导通都伴随着一个二极管的关断，因此必须考虑二极管关断时允许的最大di/dt。
    2） 阳极电路与桥臂间的杂散电抗
　　越小越好。 越大导致IGTC关断损耗和第一个关断过电压 越大，安全工作区越小。
    3） 箝位电路
　　当直流侧电容远大于箝位电容且杂散电感可忽略时，阳极箝位电路可看成一个阻尼并联谐振的RLC电路。一般的应用中，直流侧电容远大于箝位电容是成立的，但杂散电感一般不可忽略。有时回路CD-CCL-RA中的杂散电感LS对关断时IGCT阳阴极间的第二个过电压峰值VDM的影响不能忽略。
　　然而，不只要考虑VDM，还要考虑阳极电路到准备好下一次换流前所需的时间。当IGCT导通时，箝位二极管被强制从导通状态或低电压阻断状态变成高电压阻断状态。如果二极管正在导通，它此时关断的di/dt只被LCL限制。在重复的工况下，这种应力可能会超过二极管允许的di/dt能力。因此，IGCT在关断后必须保持一个最小的关断时间，以保证箝位二极管承受的关断di/dt在允许范围内。
　　知道箝位电抗值后，其他箝位电路元件参数可通过求解二阶微分方程得到。
　　设定阻尼系数D为0.8，则如果RA-CCL-CD回路的杂散电感很小，就可得到一个可接收的关断暂态过程。
　　最后，IGCT的最小关断时间可设为等于阻尼振荡的周期TD。
　　对5SHX08D4502型IGCT，选LA=12微亨，  di/dt最大为230A/uS（直流电压为2800V），满足要求。按以上计算方法并留出裕量，CCL选取为2微法，RA选为1.2欧，最小关断时间选取必须大于25微秒。
　　对5SHY35L4510型IGCT，选LA=5微亨，  di/dt最大为560A/uS（直流电压为2800V），满足要求。按以上计算方法并留出裕量，CCL选取为10微法，RA选为0.65欧，最小关断时间选取必须大于10微秒。
 
    2．IGCT在NPC三电平逆变器中的应用
    
　　当采用图2所示的逆变器实现6kV异步电机的变频调速时，每只IGCT必须采用两只4500V IGCT串联运行。为了保证串联的IGCT能有好的均压效果，需要采用图2所示的均压电路。图3给出了两只5SHX08D4502型IGCT串联运行时实测的关断过程阳阴极电压波形，表明只要采用适当的均压电路参数，IGCT在开关及过程中及关断状态均能保持良好的均压效果。
　　由于NPC三电平逆变实现6kV变频器时IGCT必须采用RC 吸收电路保证其均压，而RC吸收电路将导致NPC三电平逆变器内部六只IGCT在从续流状态变为导通状态时必须承受超过50A/uS上升的电流，因而必须采用外部脉冲重触发。原因解释如下：
    
　　在任何电压源逆变器中，当续流二极管导通时都可能引起门阴极负偏压。在处于门阴极负偏压情况下时将会发生：1）门极的损耗增加；2）门极电流只流过GCT的阳极，而不流过其阴极；3）当电流由负电流（续流情况）向正方向过零点时，在GCT进入栓住状态前，阳阴极电压就开始上升（趋于关断）。
    
　　为了在上述情况下能够安全运行，在ABB公司的IGCT门极单元设计中加入了重触发（re-trigger）设计：它1）检测门阴极电压极性VGK；2）当处于VGK负极性时减小门极电流；3） 当VGK 重新变为正向时，自动重新施加一个开通信号（内部重触发）。
　　这个内部重触发设计可以处理电流变化率小于50A/us的情况，如果IGCT处于续流状态或低电流导通状态时，有较大的di/dt的电流重复施加在IGCT上时，需要施加一个外部的重触发信号[6]。
    3． IGCT在50MVA STATCOM中的应用
    3.1 链节及其额定运行工况试验
 
　　为上海西郊变电站50MVA STATCOM的链式单元逆变器主电路图。图中逆变开关器件采用4500V/4000A IGCT－5SHY35L4510，反并联二极管采用5SDF16L4502，直流电容电压为8000uF， LA、DA、RA和CCL构成阳极箝位电路，S和R构成直流电容放电电路。每相IGCT阀由10个链节串连而成，其中2个为冗余运行链节，当发生链节故障时冗余链节自动投入。每相IGCT阀两端连接一台氧化锌避雷器，用于对IGCT阀进行瞬态过电压保护。
    
　　为了有效地验证链节在额定工况下运行时IGCT压装及连接工艺、控制电源、控制、保护、冷却、电磁兼容等方面的设计是否达到了技术标准的要求，需要对链接进行额定工况运行试验[5]。试验时两个被试验链节输出通过一个连接电抗相连，其中一个链节的直流电容由外接直流电源供电，另一个链节直流电容悬浮，通过控制两个链节输出电压相位角来控制链节间交换的无功功率方向和大小，如图5。两个链节的损耗由直流电源DC提供。试验控制器进行控制，使得一个链节发出额定无功时，另一个链节吸收额定无功。每个链节发出和吸收额定无功各进行一遍。
  
    3.2 试验结果
　　试验时冷却水系统流量：70L/M；去离子水电阻率：10.75MΩ。对50Hz和150Hz两种开关频率进行了试验。
    50Hz触发脉冲时，容性工况的链节1右桥臂上IGCT管阳阴极电压波形及输出电流波形，最大关断电流为2500A，  关断发生在直流电压2500V时，IGCT关断过电压峰值为3400V。
　　为150Hz触发脉冲时链节1输出电压和电流波形，最大关断电流均为2500A，  IGCT关断过电压峰值均小于3400V。      
    4．结论
    
　　IGCT是将GTO技术和现代功率晶体管以及IGBT技术结合而产生的新一代大功率半导体器件，在将来的0.5MVA到几百MVA的中高压应用中，它将是关键的器件。它固有的特性保证了大功率应用中大功率可关断器件串联连接的简单和稳定性。同其它可关断器件相比，由于还有成本低、复杂程度低以及高效率的优势。IGCT将在大功率FACTS装置及大功率传动装置中得到广泛的应用。
    
　　在50MVA STATCOM应用中，采用IGCT的链节已完成了其背靠背额定工况运行试验。链节各IGCT在关断大电流时关断过电压在设计范围内。在额定工况连续运行过程中，链节各部件和功率器件的温升不大，无局部过热现象发生，水冷散热情况良好，满足链节运行要求。链节电子设备在高电压强磁场环境下工作可靠，具有很好的抗干扰能力。链节试验表明链节的设计和制造达到了技术标准的要求。