IGCT應(yīng)用講義-劉文華

IGCT應(yīng)用講義

劉文華

清華大學(xué)電機(jī)系FACTS研究所 2006年9月2/3/2023主要內(nèi)容

1.IGCT在電壓源逆變器中的應(yīng)用

2.門極單元的應(yīng)用 3.外部重觸發(fā) 4.IGCT的串聯(lián)運(yùn)行 5.IGCT在50MVASTATCOM中的應(yīng)用 6.IGCT功能仿真模型及應(yīng)用 7.IGCT異常故障及關(guān)斷故障機(jī)理 (SPEC：Prof.Huang）

2/3/20231IGCT在電壓源逆變器中的應(yīng)用－設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

2/3/2023典型電壓源逆變器2/3/2023設(shè)計(jì)準(zhǔn)則反并聯(lián)二極管的關(guān)斷di/dt限制最小開通時(shí)間和最小開通時(shí)間最大器件電壓箝位過沖電壓下次開通前回0箝位二極管電流下次開通前回0 一般設(shè)計(jì)：tBD＝10-15us2/3/2023參數(shù)設(shè)計(jì)第一步：計(jì)算LI第二步：計(jì)算CCL第三步：計(jì)算RS2/3/2023雜散LCL電感的影響LCL越大，第1過電壓尖峰值越大，EOFF越大。應(yīng)設(shè)計(jì)使LCL小于參數(shù)文件中測(cè)試時(shí)的值，否則，安全工作區(qū)要打折2/3/2023RS的影響RS越大，箝位二極管能越快截止；RS越大，VDM越大；應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)。（a）Rs=0.35Ω

（b）Rs=0.65Ω

（c）Rs=1.2Ω

對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果

2/3/2023LI2的影響LI2越大，VDM越大，箝位二極管截止時(shí)間越長；應(yīng)盡可能減小LI2

（a）LI2=0.6uH

（b）LI2=1.2uH

（c）LI2=2.0uH

對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果

2/3/2023CCL的影響

（a）CCL=6uF

（b）CCL=15uF

（c）CCL=24uF

CCL越大，VDM越小，箝位二極管截止時(shí)間越長；應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)CCL

對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果

2/3/2023箝位二極管的影響箝位二極管開通正向電壓VFR隨開通di/dt增大而增大，影響IGCT關(guān)斷第一個(gè)尖峰；耐壓等級(jí)越高的二極管VFR越大；盡量減小箝位二極管支路的雜散電感。2/3/20232門極單元的應(yīng)用－門極驅(qū)動(dòng)電源直流供電：VDC=交流供電：方波幅值，起動(dòng)限流：交流供電的IGCT內(nèi)部有限流和穩(wěn)壓電路；直流電源供電的IGCT內(nèi)部沒有供電電源限流電路，必須由直流電源完成其輸出限流。IGCT消耗驅(qū)動(dòng)功率：與開關(guān)頻率、關(guān)斷電流及占空比有關(guān)關(guān)斷電流需要的功耗空載需要的功耗2/3/2023門極驅(qū)動(dòng)電源門極驅(qū)動(dòng)電源上電過程中要確保接受脈沖的光纖處于不發(fā)光狀態(tài)（對(duì)應(yīng)IGCT關(guān)斷狀態(tài)）。門極單元上電5秒后才能接收驅(qū)動(dòng)脈沖。（最好先上控制電，再上驅(qū)動(dòng)電源）?？刂齐娫瓷想姟⑾码娺^程中要確保先封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，否則光強(qiáng)的不足會(huì)導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生高頻脈沖，損壞門極驅(qū)動(dòng)。2/3/2023門極驅(qū)動(dòng)電源直流母線電壓必須在IGCT驅(qū)動(dòng)電源完全建立（上電5秒）之后建立；相反，IGCT驅(qū)動(dòng)電源必須在鏈節(jié)直流電容完全放電之后關(guān)閉，否則，由于IGCT驅(qū)動(dòng)電路的特殊機(jī)理，會(huì)導(dǎo)致IGCT誤導(dǎo)通進(jìn)而導(dǎo)致橋臂直通，損壞IGCT?？刂齐娫瓷想?、下電過程中要確保先封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，否則光強(qiáng)的不足會(huì)導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生高頻脈沖，損壞門極驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電源隔離絕緣電壓強(qiáng)度；驅(qū)動(dòng)電源的高可靠性。2/3/2023光纖及信號(hào)接口HFBR1521/2521；HFBR1528/2528。需注意驅(qū)動(dòng)距離，防止驅(qū)動(dòng)不足。開通和關(guān)斷信號(hào)延遲：3uS左右；無門極返回信號(hào)IGCT的診斷：設(shè)計(jì)外加返回信號(hào)；IGCT自身需：2/3/20233.重觸發(fā)在任何電壓源逆變器中，當(dāng)續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)都可能引起門陰極負(fù)偏壓。在處于門陰極負(fù)偏壓情況下時(shí)將會(huì)發(fā)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(dāng)電流由負(fù)電流（續(xù)流情況）向正方向過零點(diǎn)時(shí)，在GCT進(jìn)入栓住（Latching）狀態(tài)前，陽陰極電壓就開始上升（趨于關(guān)斷）。在ABB的IGCT門極單元設(shè)計(jì)中加入了re-trigger設(shè)計(jì)：它1）檢測(cè)門陰極電壓極性VGK；2）當(dāng)處于VGK負(fù)極性時(shí)減小門極電流；3)當(dāng)VGK

重新變?yōu)檎驎r(shí)，自動(dòng)重新施加一個(gè)開通信號(hào)（InternalRe-Trigger）。這個(gè)內(nèi)部re-trigger設(shè)計(jì)可以處理電流變化率小于50A/us的情況，如果IGCT處于續(xù)流狀態(tài)或低電流導(dǎo)通狀態(tài)(lowanodecurrentconduction,quiescentmode)時(shí)，有較大的di/dt的電流重復(fù)施加在IGCT上時(shí)，需要施加一個(gè)外部的重觸發(fā)信號(hào)(ExternalRe-trigger)。IGCT在導(dǎo)通大于LATCHING電流的電流時(shí)，可以承受大的di/dt，不需重觸發(fā)。2/3/2023外部重觸發(fā)A和C：電流上升前足夠大，不需重觸發(fā)，可以承受大的di/dt；B：電流上升率過大，之前電流太小，在t1處需要外部重觸發(fā)；D：電流上升率小，內(nèi)部重觸發(fā)足夠。2/3/2023外部重觸發(fā)方法在導(dǎo)通的光纖驅(qū)動(dòng)信號(hào)中插入寬度為tretrig的低電平；tretrig見參數(shù)文件；tretrig太小會(huì)被忽略，太大會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷；2/3/2023外部重觸發(fā)的時(shí)刻應(yīng)該如上圖施加外部重觸發(fā)，使大的di/dt發(fā)生在B段；一般大的di/dt由另一個(gè)IGCT的開通引起，可與之同步施加外部重觸發(fā)。2/3/2023需要外部重觸發(fā)的實(shí)例開始時(shí)電流沿實(shí)線流，V4和V3導(dǎo)通，V2截止；接著V4關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間后V2開通，電流開始沿虛線走；V2開通時(shí)V3和V4的反并聯(lián)二極管都流過反向恢復(fù)電流，如果V4D反恢復(fù)電流大于V3D的，則V3需承擔(dān)部分正向電流，此電流di/dt大，V3需外部重觸發(fā)，否則V3上會(huì)產(chǎn)生1-2uS/高達(dá)2kV的脈沖電壓。有RC吸收電路時(shí)，更需只需分析需要外部重觸發(fā)的情況。2/3/20234.IGCT的串聯(lián)運(yùn)行由于硬驅(qū)動(dòng)特性，IGCT存儲(chǔ)時(shí)間小到1us左右，只需小的吸收電路即可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)運(yùn)行。2/3/2023開通過程采用RC或RCD吸收后，開通過程器件的均壓只需考慮驅(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)延；開通脈沖有小的時(shí)延時(shí)，由于陽極電抗對(duì)電流的限制，開通過程承受的電壓差不會(huì)太大。圖中，S1開通脈沖超前S2的時(shí)間是300ns。2/3/2023關(guān)斷過程關(guān)斷過程的均壓效果受多個(gè)因數(shù)影響。2/3/2023設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1.每個(gè)器件每個(gè)時(shí)刻承受的動(dòng)態(tài)電壓都必須小于VDRM、直流電壓都必須小于VDC；由于宇宙射線的影響，IGCT壽命與其承受的VDRM和VDC密切相關(guān)，關(guān)斷后所有點(diǎn)電壓盡可能均分；需設(shè)計(jì)冗余IGCT，否則損壞的IGCT短路后會(huì)導(dǎo)致其他串聯(lián)IGCT損壞；增大吸收參數(shù)總能達(dá)到更好的均壓效果，需綜合考慮效率、成本和均壓效果。2/3/2023箝位電路參數(shù)的折算箝位電路參數(shù)可按下式折算（n為串聯(lián)IGCT個(gè)數(shù)）2/3/2023影響關(guān)斷均壓的因素IGCT器件自身參數(shù)的影響 1）關(guān)斷延時(shí)的差別； 2）由于關(guān)斷延時(shí)與VT有關(guān)，因此，VT的差別也影響關(guān)斷均壓。2/3/2023影響關(guān)斷均壓的因素關(guān)斷延時(shí)差別越大時(shí)，均壓誤差隨關(guān)斷電流的變化而更明顯變化。IDRM：斷態(tài)漏電流的差別會(huì)影響關(guān)斷后的均壓效果，需設(shè)置靜態(tài)均壓電壓，該電阻必須按IDRM大小來選擇。同時(shí)需考慮反并聯(lián)二極管的漏電流。2/3/2023影響關(guān)斷均壓的因素控制脈沖信號(hào)延時(shí)的影響吸收電容的影響結(jié)溫差別的影響吸收電阻的影響 吸收電阻太大，均壓效果差； 吸收電阻太小，阻尼關(guān)斷后振蕩效果差，也會(huì)增加IGCT的開通損耗。2/3/20235.IGCT在50MVASTATCOM中的應(yīng)用－50MSTATCOM構(gòu)成2/3/2023基于IGCT的50M鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐?0MSTATCOM是國際上首臺(tái)采用IGCT器件的MVA級(jí)鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置2/3/202350M鏈?zhǔn)絊TATCOM實(shí)物2/3/2023基頻優(yōu)化PWM控制策略

通過控制各LINK的開關(guān)角度，控制基波輸出電壓，并在同時(shí)尋求一個(gè)最優(yōu)的諧波優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化函數(shù)如下： 約束條件：其中

實(shí)測(cè)相電壓輸出相電壓各單相橋輸出電壓優(yōu)化條件少，對(duì)直流電壓紋波峰值限制及電壓平衡控制不利2/3/2023150Hz優(yōu)化PWM控制策略使輸出電壓的基波幅值為控制目標(biāo)值，并且使各單相橋輸出的基波電壓幅值相位完全相同，且對(duì)直流電壓峰值進(jìn)行限制；使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達(dá)到最優(yōu)。優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為:

約束條件為:

各單相橋輸出電壓輸出相電壓實(shí)測(cè)相電壓2/3/2023直流電壓平衡控制：基于交流母線能量交換的直流電壓平衡控制

交換功率小（小于5kW），IGBT器件要求耐壓高/電流小，選擇困難，控制復(fù)雜，不利于裝置的可靠性。2/3/2023基于脈沖循環(huán)換位及PWM制動(dòng)的直流電壓平衡控制方法結(jié)合放電開關(guān)的PWM控制脈沖循環(huán)換位示意圖簡單，成本低，隔離變壓器容量?。?.5kVA）輸出超前15kvar－滯后15kvar輸出滯后15kvar－超前15kvar2/3/2023全數(shù)字化高速高精度控制系統(tǒng)系統(tǒng)故障及突增負(fù)荷時(shí)，動(dòng)態(tài)地提供電壓支撐，減少低壓釋放負(fù)荷數(shù)量，防止發(fā)生暫態(tài)電壓崩潰結(jié)合35KV母線4組電容器的綜合投切控制，保證35KV母線電壓的穩(wěn)定4組電容器綜合投切控制操作界面DSP控制板反饋線性化動(dòng)態(tài)無功控制/電壓平衡控制FPGA脈沖發(fā)生板多目標(biāo)150Hz優(yōu)化PWM控制/冗余控制FPGA脈沖分配板編碼/解碼/高速異步通信2/3/2023分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的主界面

2/3/2023試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn)制訂的標(biāo)準(zhǔn)：鏈?zhǔn)絊TATCOM閥的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 1）閥端對(duì)地間的電介質(zhì)試驗(yàn) 2）閥端間電介質(zhì)試驗(yàn) 3）運(yùn)行試驗(yàn)和例行試驗(yàn) 4）閥的電磁干擾（EMI）鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)規(guī)范成套鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

±50MvarSTATCOM裝置按以上標(biāo)準(zhǔn)通過了全部試驗(yàn)內(nèi)容2/3/2023鏈節(jié)等價(jià)運(yùn)行與保護(hù)試驗(yàn)試驗(yàn)?zāi)康?對(duì)鏈節(jié)進(jìn)行額定負(fù)載工況試驗(yàn)，以便檢驗(yàn)鏈節(jié)在額定工況下運(yùn)行時(shí)電源、控制、保護(hù)、冷卻、電磁兼容等方面的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求一個(gè)鏈節(jié)發(fā)無功，一個(gè)鏈節(jié)吸無功，外接直流電源只需提供被試對(duì)象的損耗2/3/2023額定工況試驗(yàn)結(jié)果（50Hz開關(guān)頻率）

a)容性鏈節(jié)輸出電壓電流b)感性鏈節(jié)輸出電壓電流

（直流電壓2400V/輸出電流1700A）（直流電壓1600V/輸出電流1700A）50Hz開關(guān)頻率時(shí)額定工況運(yùn)行試驗(yàn)總功耗為43.2kW，測(cè)算連接電抗功耗為18kW,單個(gè)鏈節(jié)損耗12.6kW，30個(gè)鏈節(jié)總損耗為378kW2/3/2023額定工況試驗(yàn)結(jié)果（150Hz開關(guān)頻率）

a)容性鏈節(jié)輸出電壓電流 b)感性鏈節(jié)輸出電壓電流（直流電壓2350V/輸出電流1700A）（直流電壓1400V/輸出電流1700A）

150Hz開關(guān)頻率時(shí)額定工況運(yùn)行試驗(yàn)總功耗為51.8kW，測(cè)算連接電抗功耗為19kW,單個(gè)鏈節(jié)損耗16.4kW，30個(gè)鏈節(jié)總損耗為492KW2/3/2023等價(jià)過電流試驗(yàn)等價(jià)過電流試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證鏈節(jié)主要（一次）設(shè)備是否能夠耐受由過電流引起結(jié)溫升高后的電壓應(yīng)力和檢驗(yàn)過電流保護(hù)裝置在最大關(guān)斷電流出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷IGCT的能力通過同時(shí)觸發(fā)鏈節(jié)中的對(duì)角開關(guān)管SLA1和SRB或SRA和SLB，使直流電容電壓加在試驗(yàn)電抗器L上，引起L上電流線性上升。當(dāng)保護(hù)電路檢測(cè)到L上電流達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，封鎖全部開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。試驗(yàn)前IGCT外殼加熱到額定運(yùn)行溫度。2/3/2023等價(jià)過電流試驗(yàn)結(jié)果過電流波形（3000A峰值關(guān)斷）關(guān)斷2500V/3000A時(shí)過電壓波形

2/3/2023絕緣試驗(yàn)考核指標(biāo)及要求的試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)項(xiàng)目試驗(yàn)值要求與考核指標(biāo)閥端對(duì)地工頻交流耐壓試驗(yàn)和局部放電的測(cè)量試驗(yàn)電壓42kV，持續(xù)1分鐘；18.5kV，持續(xù)10分鐘，記錄最后1分鐘局部放電水平。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沒有閃絡(luò)現(xiàn)象，局部放電水平峰值應(yīng)不大于50pC。雷電沖擊試驗(yàn)電壓波形為1.2/50μs，峰值為±75kV，正負(fù)極性各施加3次。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沒有擊穿和閃絡(luò)現(xiàn)象。閥端間工頻交流耐壓試驗(yàn)試驗(yàn)電壓23.3kV，持續(xù)1分鐘。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沒有閃絡(luò)現(xiàn)象，鏈節(jié)保護(hù)應(yīng)不動(dòng)作，試驗(yàn)結(jié)束后無元件損壞。鏈節(jié)端間局部放電測(cè)量試驗(yàn)電壓2.6kV，持續(xù)1分鐘；2.1kV，持續(xù)10分鐘，記錄最后1分鐘局部放電水平。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沒有閃絡(luò)現(xiàn)象，局部放電水平峰值應(yīng)不大于50pC。操作沖擊試驗(yàn)電壓波形為250/2500μs，峰值為±33kV，正負(fù)極性各施加3次。試驗(yàn)時(shí)應(yīng)沒有閃絡(luò)現(xiàn)象，無保護(hù)性觸發(fā)動(dòng)作或誤觸發(fā)現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)束后無元件損壞。2/3/20236.IGCT功能仿真模型及應(yīng)用1.功能模型的物理依據(jù)

置換定理：在線性或非線性電路中，若某一支路的電壓或電流為U和I，用Us=U的電壓源或Is=I的電流源來置換該支路，如果置換后的電路有唯一解，則置換前后電路中全部支路電壓和支路電流的量保持不變。2.不同等級(jí)下U(t)或I(t)的來源a.開通時(shí)，器件的電壓形狀相對(duì)簡單，且有一定的規(guī)律b.關(guān)斷時(shí)，器件的電流形狀相對(duì)簡單，且有一定的規(guī)律2/3/2023IGCT工作原理及開關(guān)特性參數(shù)名稱參數(shù)符號(hào)最大值斷態(tài)重復(fù)峰值電壓(V)VDRM4500斷態(tài)重復(fù)峰值電流(mA)IDRM50直流環(huán)節(jié)電壓(V)VDClink2800最大可控關(guān)斷電流(A)ITGQM4000通態(tài)壓降(V)VT2.7門檻電壓(V)VT01.4開通延時(shí)(us)tdon3.5上升時(shí)間（us）tr1關(guān)斷延時(shí)(us)tdoff7關(guān)斷損耗能量(J)Eoff225SHY35L4510IGCT主要參數(shù)2/3/2023二極管工作原理及開關(guān)特性反向阻斷電壓和正向通態(tài)電壓開通：正向恢復(fù)過程呈現(xiàn)“電感效應(yīng)”，而不立即響應(yīng)正向電流的變化關(guān)斷：反向恢復(fù)過程加反壓到截止，清除過剩少數(shù)載流子，表現(xiàn)為電流反向流動(dòng)；達(dá)最大值后，二極管恢復(fù)阻斷能力2/3/2023二極管工作原理及開關(guān)特性參數(shù)名稱參數(shù)符號(hào)最大值斷態(tài)重復(fù)峰值電壓(V)VRRM4500斷態(tài)重復(fù)峰值電流(mA)IRRM150通態(tài)壓降(V)VF4.51正向恢復(fù)電壓峰值（V）Vfr80正向恢復(fù)時(shí)間(us)tfr6電流變化率峰值（A/us）di/dt600反向恢復(fù)電流峰值（A）Irr1200反向恢復(fù)電荷峰值（uC）Qrr3900關(guān)斷能量損耗(J)Err9.0

5SDF16L4503二極管主要參數(shù)2/3/2023建模環(huán)境和方法采用PSCAD仿真平臺(tái)；與C語言內(nèi)部接口，可編程，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)；開通過程，僅能控制電壓V，由開通前瞬間器件承受的阻斷電壓按照一定規(guī)律降為導(dǎo)通電壓；而電流I由負(fù)載電流決定。關(guān)斷過程，僅能控制電流I，由關(guān)斷前瞬間的負(fù)載電流按照一定規(guī)律降為關(guān)斷后的泄漏電流；而電壓V由外部電路、吸收回路決定。比如：關(guān)斷過程中，對(duì)電流的控制下降電流拖尾電流分別用兩個(gè)正弦曲線的一段來模擬2/3/2023IGCT的C語言功能模型參數(shù)名稱數(shù)值tdon3.5tdoff6Vces0.0027Iblock0.00005Vt01.4e-3rt0.325e-3dt50Ton50Toff150Toff2100Toff350Toff200k0.42/3/2023IGCT的C語言功能模型——測(cè)試電路2/3/2023仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果仿真結(jié)果技術(shù)手冊(cè)IGCT開通損耗1.87J1.5J二極管關(guān)斷損耗7.10J<9.0J開通波形開通損耗關(guān)斷波形關(guān)斷損耗2/3/2023功率二極管C語言功能模型2/3/2023功率二極管模型仿真結(jié)果2/3/2023T/D模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)受控電壓源的切斷靠Breaker-G受控電流源的切斷是將其置零2/3/2023T/D模型

顯著優(yōu)點(diǎn)橋臂中點(diǎn)引出，器件兩端可以并聯(lián)RC吸收電路仿真結(jié)果450uH900uH2/3/2023等價(jià)額定運(yùn)行試驗(yàn)仿真結(jié)果容性工況感性工況2/3/2023等價(jià)過電流保護(hù)試驗(yàn)仿真結(jié)果IGCT電壓直流電容電流2/3/20237.IGCT異常故障及關(guān)斷故障機(jī)理（SPEC：Prof.Huang） IGCT故障原因：開通di/dt限制不夠；過電壓（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）；過溫；TON、TOFF、TBD時(shí)間太短；門極驅(qū)動(dòng)電源及控制電源的上、下電；門極驅(qū)動(dòng)電源故障；關(guān)斷過電流；反并聯(lián)二極管損壞引起IGCT損壞；異常故障及關(guān)斷故障2/3/2023Sn的故障

開始時(shí)，ILOAD大于0，SP處于關(guān)斷狀態(tài)Sn關(guān)斷后，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間SP開通。

SPSnDPDnVBUSILoad2/3/2023IGCT等效模型G-A極等效為一個(gè)二極