（电力系统及其自动化专业论文）基于igct的高压变频器设计研究.pdf

a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ei g c t - b a s e dh i g h v o l t a g el n v e r t e r s a b s t r a c t 1 1 1 ea p p l i c a t i o no fh i g h p o w e rs w i t c k i n gd e v i c e s ，m u l t i l e v e lt o p o l o g ya n do p t i m a l c o n t r o ls t r a t e g i e sp r o v e sa ne f f e c t i v ea p p r o a c ht oh i g hp o w e rc o n v e r t e r s m u c ha r e n t i o nh a s b e e nf o c u s e do nt h es t u d yo f h i g h v o l t a g ei g c t - b a s e di n v e r t e r s 1 1 1 ei n t e g r a t e dg a t e c o m m u t a t e dt h y r i s t o r ( i g c t ) i st h el a t e s tp o w e rs w i t c h i n gd e v i c e w h i c hh a sm a n ya d v a n t a g e ss u c ha sh i g hs w i t c h i n g o f rv o l t a g e ，l a r g et u r n - o f fc u r r e n t , h i g h s w i t c h i n gf r e q u e n c y , l o wl o s s e s ，a n dh i g hr e l i a b i l i t y i ti sd e v e l o p e df r o mg t o a n dh a st h e a d v a n t a g e so fg t 0a n di g b t w i t ht h e s ea d v a n t a g e s i g c ti sm o r ec o m p e t i t i v et h a ng t o a n di g b t t h e r e f o r e ，i ti so fg r e a tv a l u et os t u d yt h em o d e l i n g ，s i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a t i o no fi g c t s a n di g c t - b a s e di n v e r t e r s f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fi g c t p r o p o s e sap r a c t i c a l m o d e ls u i t a b l ef o rs i m u l a t i o n 1 1 1 em o d e li so fs a t i s f a c t o r ya c c u r a c y , h i 曲s i m u l a t i o ns p e e d a n de a s yp a r a m e t e rs o l u t i o n t h ed e s i g no fe q u i v a l e n tc i r c u i ta n dt h ec a l c u l a t i o no f p a r a m e t e r so ft h em o d e lf o ras p e c i f i ct y p eo fi g c ta r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ei g c t t e s t c i r c u i ti sa l s od e s i g n e da n dr e a l i z e d s e c o n d l y , t h ep a p e rs e l e c t sas u i t a b l ec o n v e r t e rc i r c u i tb a s e do nt h em u l t i l e v e lt o p o l o g y a2 4 p u l s e r i e s t y p ed i o d er e c t i f i e r , an l 陀e l e v e ln e u t r a lp o i n td i o d e c l a m p e di n v e r t e r , a n dt h es v p w me o n t r o ls t r a t e g ya r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d e l e m e n t si nt h r e e l e v e l n e u t r a lp o i n td i o d e c l a m p e di n v e r t e ra r ea l s oa n a l y z e da n ds e l e c t e d f i n a l l y , p r o t e c t i o na n dc o n t r o lc i r c u i ta r ed e s i g n e dt oa s s u r et h es t a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t y o ft h ei n v e r t e r p r o b l e m sc o n c e m i n gt h eb a l a n c eo fn e u t r a lp o i n tv o l t a g e ，t h ed e a dt i m e c o n t r 0 1 t h ei g c ts n u b b e rc i r c u i t ，a n do u t p u tf i l t e rc i r c u i ta r ea n a l y z e d ，s i m u l a t e db yp s i m a n de x p e r i m e n t e d s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t sh a v e p r o v e dt h e c o r r e c t n e s s ，f e a s i b i l i t ya n d e f f e c t i v e n e s so ft h es i m u l a t i o nm o d e l t h ei g c tt e s tc i r c u i t , t h ec o n v e r t e re k e u i t ，t h e p r o t e c t i o nc i r c u i ta n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e s k e yw o r d s ：i g c t , h i g h - v o l t a g ec o n v e r t e r , t h r e e l e v e li n v e r t e r , c o n t r o ls t r a t e g y , p r o t e c t i o nc i r c u i t , p s i ms i m u l a t i o n 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华 东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 本人签名日期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解华东交通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅。学校可以公布论 文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 保密的论文在解密后遵守此规定，本论文无保密内容。 本人签名导师签名日期 华东交通大学 硕士学位论文任务书 研究生姓名黄炜学号 2 0 0 4 0 3 9 0 0 6 0 10 5 学院( 系)电气工程学院 专业电力系统及其自动化 专业方向电力电子 论文题目基于i g c t 的高压变频器电路的设计研究 要求完成时间2 0 0 7 年4 月2 0 日 选题来源导师课题 主要研究任务： 1 、从高压大功率器件i g c t 的结构特性和工作原理入手，提出具有计算精度高、 计算速度快、参数求解简单等特点的仿真模型，并利用具体型号的i g c t 进行试验， 对建模仿真和试验的波形进行比较以验证仿真的准确性，此针对于目前正处于初步 应用阶段、还未广泛使用的高压i g c t 器件具有十分重要的作用。 2 、针对高压变频器的二十四脉整流电路和二极管箝位型三电平逆变电路拓扑结 构进行设计和参数分析，并对s p w m 和s v p w m 两种控制方法进行对比研究以确立 更适合高压变频器的控制方法。 3 、针对高压变频器逆变电路中的各元件进行试验研究和波形观测，并将试验波 形与二极管箝位型三电平逆变电路的p s i m 仿真波形进行对比研究，以证明各个元 件参数的正确性和变频调速系统的可运行性。 4 、针对高压变频器逆变电路的中点箝位平衡控制方法、死区9 1 、偿控制方法、 i g c t 缓冲保护电路、输出滤波器进行理论分析、p s i m 仿真以及试验研究，用以确 定控制策略和保护策略的可行方案。 接受任务时问2 0 0 6 年3 月1 0 日学生签名 导师签名日期年月 曰 第一章绪论 第一章绪论 1 1开发高压大功率变频调速系统的背景和意义 交流电动机在1 8 8 5 年出现后，由于一直没有理想的调速方案。只被应用于恒速拖 动领域。2 0 世纪3 0 年代起，不少国家才开始提出各种交流电动机调速的原始方案。晶 闸管元件的出现使交流电动机调速的发展出现了一个飞跃，使得采用半导体变流技术的 交流调速得以实现。国际上在6 0 年代后期解决了交流电动机调速方案中的关键问题， 7 0 年代就开始实现了产品的高压、大容量、小型化，且已经逐渐替代了大部分传统的直 流电动机应用领域。交流调速系统发展迅速的很大一部分原因在于交流电动机本身的优 点：没有电刷和换向器，结构简单，坚固而寿命长i i j 。近年来大功率半导体器件、大规 模集成电路、电子计算机技术的迅速发展，加上交流电动机本身的优越持性，为交流调 速提供了广泛的应用前景。目前交流电力拖动系统已具备了较宽的调速范围、较高的稳 态精度、较快的动态响应、较高的工作效率以及可以四象限运行等优异性能，其动、静 态特性均可以与直流电动机拖动系统相媲美i z j 。 随着国民经济的不断发展与科技不断的进步，国内高压电动机的使用量也随之越来 越大，在火力发电厂、水厂、油田和化工行业，各种风机、水泵系统中都采用了高压电 动机，其能量消耗占到了厂用电量的绝大部分。尤其是在火力发电厂，据统计一台 3 0 0 m w 的发电机组需要配置各种风机，水泵数十台，年耗电量占该机组年发电量的3 以上，而且这些负载的运行普遍存在负荷不饱和的问题，很多情况下负荷都是在轻载 情况下运行，电机却仍然在额定状态下工作，仅通过调节阀门和挡风板的开度来控制流 量和压力，大量的能量都消耗在阀门和挡风板上；另外，电厂风机的设计出力往往高于 实际运行时出力的2 0 左右，这也导致风机低效运行。因此，电动机节能和高效运行成 为工业生产和理论研究所关心的课题p 1 。 一 变频调速就是电机节能和高效运行的主要手段之一，随着电力电子技术和微处理器 技术的不断发展，电动机变频调速装置特别是高压变频调速装置，以其节能效果明显， 可靠性高，操作简单，启动电流小，功率因数高，调速特性优良，保护功能完善，容易 实现自动调节控制等优越的特性被越来越多的用户青睐1 4 j 。但由于资金、技术等原因高 压变频调速装置在国内的应用范围和数量都很有限，能够独立进行高压变频器装置研制 的厂家更是屈指可数。目前国内使用的高压变频器仍然以美国罗宾康r o b i c o n 、瑞士 a b b 、德国s i e m e n s 以及a b - - r o c k w e l l 、a l s t o m 和日本公司的产品为主。 1 2高压大功率器件ig c t 的结构特点与优越性 1 2 1i g c t 的结构与特点 集成门极换流晶闸管( i g c t ) 是门极驱动电路- 与t - j 极换流晶闸管g c t 集成于一个整 第一章绪论 体形成的器件。门极换流晶闸管g c t 是基于g t o 结构的一个新型电力半导体器件， 它不仅与g t o 有相同的高阻断能力和低通态压降，而且兼有与i g b t 相似的开关性能， 兼有g t o 和i g b t 之所长，是一种较理想的兆瓦级、中高压开关器件。i g c t 芯片在 不串不并的情况下，二电平逆变器容量0 5 3 m v a ，三电平逆变器1 6 m v a ：若反向 二极管分离，不与i g c t 集成在一起，二电平逆变器容量可扩至4 5 m v a ，三电平容量 可扩至9 m v a i s j 。 图1 1i g c t 和g c t 的外形 f i g 1 - 1 e x t e r n a lf o r mo f l g c ta n dg c t i g c t 的结构外形如图1 1 所示。总体来说，i g c t 采用了如下的技术特剧6 m l ： ( 1 ) i g c t 的缓冲层 在传统g t o 、g t r 、i g b t 等器件中，采用缓冲层形成穿通型( p n 结构。与非穿通 型州p t ) 结构相比，在相同的阻断电压下可使器件的片厚降低约3 0 。同理，在g c t 中 采用缓冲层，即用较薄的硅片可达到相同的阻断电压，因而提高了器件的效率，使通态 压降和开关损耗降低，从而得到较好的v r e o f f 。同时采用缓冲层，使单片g c t 与二极 管的组合成为可能。 ( 2 ) 透明阳极 为了实现低的关断损耗，需要对阳极晶体管的增益加以限制，因而要求阳极的厚度 要薄，浓度要低。透明阳极是一个很薄的p n 结，其发射效率与电流有关。因为电子穿 透阳极就像阳极被短路一样，因此称为透明阳极。传统的g t o 则是采用阳极短路结构 来达到相同的目的。采用透明阳极来代替阳极短路的特点是可使g c t 的触发电流比传 统无缓冲层的g t o 降低一个数量级。g c t 的结构与i g b t 相比，因不含m o s 结构而得 以简化。 ( 3 ) 逆导技术 g c t 大多制成逆导型，它可与优化续流二极管f w d 单片集成在同一芯片上。由于 二极管和g c t 享有同一个阻断结，g c t 的p 基区与二极管的阳极相连，这样在g c t 门极和二极管阳极间形成电阻性通道。逆导g c t 与二极管隔离区中因为有p n p 结构， 其中总有一个p n 结反偏，从而阻断了g c t 与二极管阳极i 日j 的电流流通。 ( 4 ) 门极驱动技术 i g c t 触发功率小，可以把触发及状态监视电路和i g c t 管芯做成一个整体，通过 第一章绪论 两根光纤输入触发信号和输出工作状态信号。g c t 与门极驱动器相距很近( 间距约1 5 m m 左右1 ，该门极驱动器可以容易地装入不同的装置中，因此该结构可作为一种通用形式。 如果为使i g c t 的结构更加紧凑和坚固，用门极驱动电路包围g c t ，并与g c t 和冷却 装置形成一个自然整体，称为环绕型i g c t ，其中包括g c t 门极驱动电路所需的全部元 件。这两种形式都可使门极电路的电感进一步减小，并降低了门极驱动电路的元件数、 热耗散、电应力和内部热应力，从而明显降低了门极驱动电路的成本和失效率。另外， i g c t 开关过程一致性好，可以方便地实现串、并联，进而扩大功率范围。 ( 5 ) 采用全压接技术 全压接技术是相对于平常烧结工艺而言的，其硅片与铝片之间的电、热接触是通过 外部封装压力来实现的，减小了硅片内部的应力分布。 由于采用了以上的新技术，i g c t 在大容量变换器中体现出以下主要优点 h a 2 】： ( 1 ) 门极驱动更加可靠 由于新技术的采用，i g c t 所需要的门极驱动功率不到相同容量g t o 的2 0 。而 且为了更加坚固和紧凑，i g c t 的门极驱动电路围绕g c t 设置，与g c t 组成一体，这 种设计使得i g c t 门极驱动的造价和故障率都大大降低。 ( 2 ) 性能更强的关断特性 由于硬驱动使得g c t 在i l a s 内可从p n p n 状态转为p n p 状态，关断完全以晶体管 方式发生，这种均匀关断使安全工作区增大到完全动态雪崩区域。这样的关断特性使得 i g c t 不需要关断吸收电路，且可以直接串联工作。 ( 3 ) 更小的通态及关断损耗 缓冲层的采用使得在相同正向击穿电压下i g c t 器件厚度减少了3 0 ，从而大大减 少了导通和开关损耗。由于损耗特性的改进以及可以在无吸收电路下工作，i g c t 的开 关频率工作范围可在5 0 0 h z - 2 k h z 范围内。 ( 4 ) 更少的外围器件及更低的装置成本 i g c t 所独有的特性使得它不需要关断吸收电路而且其结构也集成了续流二极管 ”，因此，使得装置更加简化、可靠，装置的成本也相对较低。 1 2 2 i g c t 与同类电力电子器件的比较及其优越性的体现 首先，针对i g c t 和同类电力电子器件的特点进行分析和比较： ( 1 ) g t o g t o 是一个很有代表性的器件，它通过门极电流来控制导通和关断，高阻断电压、 大通态电流是它突出的特点。从结构而言，它是由几百个甚至几千个小原胞( g t o ) 并联 而成，小原胞越多，器件的容量就越大。g t o 芯片的直径现己达到1 5 0 m m ，工作电流 6 0 0 0 a ，工作电压6 0 0 0 v 。但g t o 关断时间过长( 几十微秒) ，而且关断过程是非均匀的， 易产生局部过热现象，造成器件失效；另外电荷存储时问差异过大，使g t o 在串联和 并联应用时，需要有复杂的缓冲电路，这种电路几乎占最终设备体积的一半以上因而 第一章绪论 使其应用受到很大限制。 ( 2 ) i g b t 8 0 年代问世的绝缘栅双极晶体管i g b t 是晶体管类器件的佼佼者，它的关断时间短， 工作频率高，而且关断过程均匀，应用电路不需要缓冲电路，但目前单管容量有限。为 了提高导通电流和工作电压，只好将它们进行串并联，做成模块使用，这无疑增加了设 计的难度和制造的复杂性，并使可靠性降低。预计将来可生产3 0 0 0 4 5 0 0 v 的i g b t 器 件，但因其通态损耗过大，不易被用户所接受。 ( 3 ) i g c t 针对g t o 和i g b t 的这些缺点，a b b 公司的技术人员对g t o 的结构设计进行了重 大改进，研制出了门极换流晶闸管g c t ，然后又将硬门极驱动电路集成在g c t 旁，从 而开发出新的集成门极换流晶闸管i g c t 。 i g c t 是以g t o 为基础，在其阴极串连一组n 沟道m o s f e t ( 以s h x 2 6 l 4 5 0 3 为例， 如2 5 个通态电阻为6 m o 的m o s f e t1 。这组m o s f e t 与g t o 同步驱动导通，整个系 统的压降增加o 4 8 v 。在其门极端串连一组p 沟道m o s f e t ( 如：7 个通念电阻为2 0 m d 的m o s f e t ) 充当齐纳管的功能。当g t o 需要关断时，门极p 沟道m o s f e t 先开通， 主电流从阴极向门极换流。接着阴极n 沟道m o s f e t 关断，全部主电流都通过门极流 出，然后门极p 沟道m o s f e t 关断，i g c t 全部关断。通过表1 1 的参数对照可以看出， i g c t 的开关能力比g t o 改善了1 14 1 ，而从表1 2 t 5 1 1 1 6 】可以看出，i g c t 几乎容纳了g t o 和i g b t 的所有优点。 表1 - 1g t o ，i g b zi g c t 参数对照表 参数 g t o 高压i g b t非对称型i g c t 存储时n p s 2 00 91 尾部时间l l s 1 5 0o 1 50 9 工作频率k h z 0 5 1 0 2 00 6 o 8 通态压降，v 3 23 43 5 门板驱动w 8 0i 53 0 随着电力电子技术、微电子技术以及控制技术的发展和进步，电力变换器得到很大 的发展，应用范围日益广泛，几乎涉及到发电、输电、储电和用电的所有领域，在这些 应用中，中高压大功率变流技术成为变换器主要发展方向之一j ，但目前，在中高压大 功率系统中，应用比较多的是g t o 和i g b t ，因g t o 的工作频率较低，多采用多重化 技术来提高其等效开关频率，主要应用在大容量的场合。i g b t 的工作频率虽然较高， 但当其工作在较高工作频率情况下，其损耗将加大，电力电子装置的效率将大大降低。 解决大容量变流器的根本是采用具有高性能的耐高压、通大电流的开关：【 件，j 9 9 6 年新 型电力电子器件i g c t 问世后，因其固有的诸多优点，成为中高压变流器开关器件的理 想选择之一”，l9 】，而基于i g c t 的多电平变流器也受到越来越多的关注，在过去几年中， 美国、德国和瑞士等国家的一些大的电气公司相继推出了相应的产品，如a b b 公司的 4 第一章绪论 a c s1 0 0 0 和a c s 6 0 0 系列，以及德国西门子公司的s i m v e r tm l 2 系列等装置，都是 基于i g c t 的三电平n p c 变流器【2 0 川，由此可见，凭借i g c t 多方面的优越性能，将使 基于i g c t 的多电平变流器逐步在国内外市场引领潮流。 表1 - 2g t o ，i g b t , i g c t 的优点对照表 g t o 高压i g i i t l g c t 低的通态损耗，适“j 于绝高频开关，低开关损耗，无吸 高频开关。低开关和通态损 开关大部分中等电压水平的收电路，集成门极驱动。耗，无吸收电路。适刚于中 技术电力电子成套装置等电压水平的电力电子成 套设备 严重失效保护适h j 于低电压并联和串联连严重失效保护。高可靠性 功率接的系统集成二极管和门极使刚最 电路少的零件数。适_ l l j 于并联和 串联的迮接 设备 结构紧凑，高可靠性模块化设计结构紧凑，模块化设计，减 少连线和互联，制成实刚性 设计 高的模块 驱动电流驱动，结构复杂电压驱动，线路简单电压电荷驱动，线路较复杂 情况 最高 6 0 0 0 v ，6 0 0 0 a6 5 0 0 v ，2 4 0 0 a6 0 0 0 v ，4 0 0 0 a 水平 1 a 基于l g o t 的三电平高压变频器的应用现状和研究意义 在我国，中高压大功率变换器这方面的研究和应用仍就比较落后，相对于国外同行 业有较大的差距。在过去的十几年中，国内大容量变换器主要以晶闸管为核心，并己经 国产化，例如：晶闸管自流传动装置、晶闸管交交变频装置等。但这些装置都具有装置 复杂、价格高、控制性能差、对电网污染大等缺点。近年来，国内在引进研制“罗宾康 级联式”的大功率变换器方面取得了一些进展，但它是低压小功率的开关器件的组合， 不是真正意义上的高压大功率变换器的发展方向。以自关断器件为核心的大功率变换器 的研究，人们已经做了不少研究上作，但距离产业化还有一定的距离，尤其是采用高压 器件i g c t 进行的中高压多电平变换器研究，仅处在起步阶段。与之相对应的是，国外 中高压大容量多电平变换器产品同益成熟，并逐渐充斥国内市场，国内中高压大容量变 换器的研究和应用受到严重挑战【2 “。 目前，i g c t 的使用方式可以分为串联使用和无串联使用两种。因为当前投向市场 的i g c t 最高等级为4 5 0 0 v ，采用比较成熟的三电平n p c 结构时，在无i g c t 串联的情 况下可输出4 1 6 k v 线电压，无法达到更高的电压。如果要输出6 0 0 0 v 等级的交流电， 三电平无串联结构变换器应采用1 0 k v 等级的i g c t ，而目前这种i g c t 尚未投向市场。 对于3 0 0 k 、，a 1 0 m v a 容量的变换器来说，不需要采用i g c t 的串并联，也不需要 采用单元电路之间的串并联就可以实现【2 3 j 。a b b 公司的a c s l 0 0 0 就是其中的代表， 第一章绪论 a c s l 0 0 0 系列变换器采用的是三电平n p c 结构以及直接转矩控制策略。而其它大公司 也有相应的产品，美国g e 公司生产的3 3 0 0 v 等级的三电平变换器以及德国西门子公司 s i m v e r tm l 2 系列变换器1 2 4 】，都是采用三电平n p c 结构，但变换器主电路具体结构 和参数以及系统的控制策略都不相同。 由于i g c t 储存时间短，破坏后为短路，符合串联方式的要求，在1 0 3 0 0 m v a 功 率容量范围内，采用串联i g c t 方式来实现大容量变换器是可行的。其中，i g c t 特性 引起的动静态电压平衡是串联i g c t 使用中的一个主要问题【2 5 1 。 经过几年的发展，i g c t 已经成为兆瓦级变换器使用功率器件的首选，采用4 种或 5 种标准封装形式，它可以涵盖o 3 3 0 0 m w 的使用功率范围。i g c t 采用压结式封装， 因其简便性、可靠性、低阻、固有的标准化等优点被人们逐步重视。虽然，目前将i g c t 用于大功率多电平变换器的方式各不相同，其中包括i g c t 是否串联使用的选择，变换 器主电路拓扑结构，吸收电路的拓扑和参数、机械结构、冷却方式、开关频率，死区时 问以及最小脉宽等。但是人们在设计和实现这些变换器的时候，都是希望充分利用i g c t 特性，以获得低的成本，高的可靠性、效率和频率，大的功率密度。变换器的电路拓扑 与参数、机械结构、冷却方式、控制方式的设计都是以此为准则。 在基于i g c t 的大容量变换器中，三电平n p c 结构已经成为较成熟的拓扑，但值得 注意的是，即使都采用三电平n p c 结构，i g c t 的电压和电流等级选型相同时，不同公 司采用不同的机械安装结构、不同的吸收电路设计、不同的控制策略，导致了利用i g c t 特性的程度不同1 2 6 1 。 目前，将基于i g c t 的多电平变换器用于变频调速系统时，系统的控制策略各不相 同。w v f 开环调速方式仍广泛应用于风机和泵类等对控制性能要求不高的场合，而在 轧钢、牵引等高性能调速系统中，矢量控制和自接转矩控制得到广泛应用。在这些控制 策略中，开关频率、最小脉宽和死区时自j 的设计都是以满足i g c t 器件和多电平拓扑性 质要求为前提的。而在变换器的器件、拓扑、电气参数基本相同的情况下，控制策略的 差异决定了变频调速系统性能的差异1 2 ”。 1 4 本文的主要工作 在大容量变换器领域中，将新的高性能开关器件、多电平拓扑和高性能控制策略综 合考虑，减少变换器的复杂性，提高变换器的可靠性，减少变换器的成本，提高变换器 的性能，是其主要发展方向。本文主要以针对基于i g c t 的高压变频器为研究对象，对 i g c t 应用特性以及模型、基于i g c t 器件特性的多电平基本拓扑单元、多电平变换器 中参数分析和优化设计以及变频调速系统控制和保护策略等问题进行系统深入的研究。 本论文的主要工作如下： ( 1 ) 提出适合p s i m 电路仿真的i g c t 器件模型，该模型主要以i g c t 的外物理特性 作为依据，具有足够的计算精度，计算速度快，参数求解简单等特点，并以具体型号的 6 第一章绪论 i g c t 为例，详细描述模型的等效电路、结构以及参数求解过程。选择i g c t 测试电路， 该测试电路的结构和参数跟三电平n p c 变换器的主电路有一一对应关系，据此对i g c t 进行仿真和试验的对比研究。 ( 2 ) 设计并实现基于i g c t 的三电平n p c 变换器主电路的计算机仿真和辅助设计系 统，并与变频器试验系统设计对照和波形对比以验证其正确性。这其中，主要针对二十 四脉整流电路和箝位二极管型三电平逆变电路拓扑结构进行设计和参数分析，并对逆变 电路的s p w m 和s v p w m 控制方法进行理论论述和p s i m 仿真比较，以确立更适合三 电平逆变装置的控制方法；针对6 k v 1 0 0 0 k w 的高压变频器的主要器件进行选型和实 验介绍，并通过p s i m 仿真和在6 k v 1 0 0 0 k w 三电平高压变频器主电路上实验的对比来 验证系统级电路的拓扑结构方案的可行性和参数选择的正确性。 ( 3 ) 针对三电平( n p c ) 逆变电路的中点箝位波动控制、死区控制、i g c t 缓冲保护电 路和输出滤波器的设计等高压变频器的相关保护和控制问题进行详细深入的分析和探 讨，并通过p s i m 仿真和实验对理论设计进行验证，从而使得高压变频器可以带动电机 更加稳定、安全的运行。 7 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 第二章 lg c t 的结构分析与建模仿真 由于集成门极换流晶闸管( i g c t ) 是在可关断晶闸管g t o 的基础上所作的改良型器 件，它具有电压等级高、通态压降低、驱动电路和缓冲电路简单的特点，因此得到了日 益广泛的应用，而深入研究其仿真模型对基于i g c t 器件变流器的正确设计具有重要意 义1 2 ”。本章首先介绍i g c t 器件的结构和工作原理，并分析其静态和动态特性；然后在 p s i m ( p o w e rs i m u l a t i o n ) 仿真工具的软件环境下构造了这种新型高压大功率器件的电路 级模型，该模型具有较高的精度和较快的仿真速度，适用于对高压大容量的i g c t 变流 装置的仿真和分析；最后把所构造的仿真模型与4 5 k v 4 k a 的i g c t 器件( 5 s h y 3 5 l 4 5 l o ) 在同等条件下分别进行单个器件的仿真和实验。 2 1 集成门极换流晶闸管( 1 g c t ) 的结构与工作特性分析 2 1 1 i g c t 的结构 i g c t ，即集成门极换流晶闸管，是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管( g o n 的总 称，其中g c t 是以g 1 d 为基础的器件，其剖面图如图2 1 所示。i g c t 实际上是关断 增益为l 的g 1 d ，又是把m o s f e t 管从器件内部拿到外面束的m c t 管。2 0 世纪9 0 年 代初，a b b 公司和三菱公司合作，把三菱制造的环形门极g 1 d 管配与外加的m o s f e t 实现了体外m c t 管的功能2 9 j 。 _ _ ：j _ _ p 。g t o p + in + lp + in + lp + _ _ i j p n g c t nb u f f e r d + 图2 - 1g t o 与g c t 的剖面图 f i g 2 - 1c u t a w a yv i e wo f g t oa n dg c t 2 1 2 i g c t 的工作特性 i g c t 的导通机理与g t o 完全一样，而关断机理则完全不一样，a b b 公司生产的 5 s h y 3 5 h 4 5 1 0 型i g c t ，在其关断时可以看作在g t o 的阴极串联2 5 只n 沟道m o s f e t 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 管，在g t o 门极串联7 只p 沟道m o s f e t 管来充当z e n e r 管的功能。其等效原理图 如图2 - 2 所永驯。 v m o s f e t g 1 图2 - 2i g c t 的等效原理图 f i g 2 2e q u i v a l e n tc i r c u i to fi g c t i g c t 的工作原理主要取决于g c t 的工作过程，那么i g c t 工作原理可以用两个晶 体管的工作过程来表示，如图2 3 所采3 ”。在开通时门极施以正强电压初瞬，g c t 处于 n p n 晶体管状态，这时晶体管作用大干晶闸管作用。转入导通后，g c t 仍可用两正反 馈的晶体管等效，强烈的正反馈使两晶体管都饱和导通。所以当g c t 工作在导通状态 时，是一个像晶闸管一样的正反馈开关，其特点是携带电流能力强和通态压降低。 a k 图2 3 用两个晶体管表示的i g c t 工作原理图 f i g 2 2 i g c ts c h e m a t i cd i a g r a me x p r e s s e dw i t ht w ot r a n s i s t o r s 关断时，i g c t 采用了消除“g t o 区”技术，即在电荷从阳极n 基区完全被抽出 之前f 即阴极n p n 晶体管完全停止注入电荷之f i l l ) ，整个阳极电流由阴极迅速转向门极。 这样g c t 可以无中间区，无缓冲关断的机理在于，强制关断时可使它的阴极注入瞬时 停止，不参予以后过程，使器件在双极晶体管模式下关断，前提是让g c t 门- 阴极p h i 结提前进入反向偏置，并有效的退出工作，即在p 基n 发射结外施很高负电压，使阳极 电流很快由阴极转移( 或换向) 至门极，不活跃的n p n 管一停止注入，p n p 管即因无基极 电流容易关断。 9 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 在承受任何阻断电压之前，i g c t 己经变成晶体管，这与g t o 以晶闸管方式承受 阻断电压形成鲜明的对比。g c t 成为p n p 管早于它承受全阻断电压的时间，而g t o 却 是在s c r 状态下承受全阻断电压的。由于i g c t 的关断发生在变成晶体管之后，所以它 已无外加d v d t 的限制，并且可像m o s f e t 或i g b t 那样工作，而无需吸收电路，所以 g c t 无二次击穿，拖尾电流虽大但时间很短【3 2 】。i g c t 器件在开通和阻断状态下的等效 电路如图2 4 所示。 一v c k r 图2 4g c t 导通和关断示意图 f i g 2 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo f | g c tt u r n - o l la n dt u r n - o f f 图2 5 为i g c t 的关断示意图，当门极电压开始下降时，i g c t 处于晶闸管的状态， 从晶闸管的状态转换到晶体管的状态的过程也就是电流从阴极换到门极的过程，这个快 速的转换过程小于i 雌，在该过程中i g c t 的阳极和阴极之间的电压维持通态时的压降不 变：当转换过程结束后，i g c t 进入阻断状态，阳极和阴极间的电压开始上升；经过一 段时间后，i g c t 处于完全阻断的状态。 图2 - 5i g c t 关断时电压、电流示意图 f i g 2 5v o l t a g ea n dc u r r e n ts c h e m a t i cd i a g r a mo f | g c t t u r n - o f f 1 0 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 2 2i g c t 模型结构的建立 i g c t 门极触发采用光信号触发，同时需要门极电路电源，与g t o 复杂的门极电路 相比，大大的简化。在i g c t 仿真中，可以将其门极触发简单处理成一个控制信号，不 需要功率输入。因此，考察i g c t 的外部特性则只需要考察i g c t 的阳极电流和电压口即”。 所以，本文用到的i g c t 模型就是在p s i m 下研究采用子电路法来实现i g c t 器件的功 能型模型，功能模型主要考虑以下四大过程：( 1 ) 门极信号延时电路；( 2 ) 开通、关断 稳态控制模拟电路；( 3 ) 开通暂态控制模拟电路；( 4 ) 关断暂态控制模拟仿真电路。i g c t 整体模型结构图如图2 6 所裂w 。 图2 - 6i g c t 模型结构框图 f i g 2 - 6 b l o c kd i a g r a mo f i g c tm o d e l 2 2 1 延时控制模拟电路 在功能模型设计中，一般认为i g c t 工作在额定状态i 驸近t 3 4 j ，此时i g c t 的开通、 关断延时时间基本是不变的。相对于开通关断信号来说，任何电力电子器件的开通和关 图2 - 7 延时时间模拟电路图 f i g 2 7 s i m u l a t e dc i r c u i to f t i m ed e l a y 断都有一定的延时，虽然，i g c t 的门极驱动电路和门极换流晶闸管集成在一起，但是 其门极特性可以单独考虑，在建立i g c t 仿真模型时，为使模型更接近于实际开通关断 第二章1 g c t 的结构分析与建模仿真 过程，在i g c t 模型中采用延时和逻辑电路，使i g c t 的开通和关断在经过延时后才“真 正”执行，延时时自j 模拟电路如图2 7 所示。、 在图2 7 中，门极驱动信号的输入端口为g ，当控制电路发出控制信号时，i g c t 并没有立刻进入开通或关断状态，而是分别经过开通延迟时间、关断延迟时间后，电压 和电流才逐渐开始变化。输出端口分别为g 。和g o 肿g 。为静态模拟电路和开通暂态模 拟电路的输入端1 2 1 ，而g 析为关断暂态模拟电路的输入端口。图2 争即是i g c t 仿真模 型的控制信号延迟电路输出波形图。从图( a ) 中可以看出，器件丌通时控制信号延迟t t ( o 取为2 p s ) 后成为器件的门极信号；器件关断时，驱动信号经过延迟时间t 2 ( t 2 取为5 5 邺) 后变为g 。其中，t l 为i g c t 的开通延迟时间死h ，t 2 为其关断延迟时间t n o f f ( a ) 图2 - 8 延迟电路的控制信号输出波形图 f i g 2 8 s i g n a lw a v e f o r m so f t i m ed e l a yc i r c u i t 2 2 2 静态控制模拟电路 i g c t 在彻底导通或者关断的时候，即认为i g c t 开通或者关断进入稳态。彻底开 通后，i g c t 的管压降很小，可以认为等于零，彻底关断时i g c t 的阳极电流很小，也 可以认为等于零，为了同时兼顾开通和关断时的暂态过程，采用理想开关、开关逻辑和 受控电压电流源来模拟。i g c t 的静态模拟电路图如图2 - 9 所示，图中，i g c t 仿真模型 的稳态电路是由v c v s 、v c c s 、电压传感器、电流传感器、理想丌关等组成。当门极 信号g 。为高电平时v c v s 开始工作，其电压由开通暂态模拟控制电路听控制，并由端 口v p 、v n 将电压传入；当门极信号为低电平时v c c s 开始工作，其电流由关断暂态模 拟控制电路所控制，并由端口i p 、i n 将电流传入。电压和电流传感器分别通过端口v s e n 、 i s e n 把稳态电路的端电压和流过它的电流传递给开通和关断暂态控制电路。 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 图2 - 9 g c t 的静态模拟电路图 f i g ，2 - 9 s t a t i cs i m u l a t e dc i r c u i t 2 2 3 开通暂态控制模拟电路 在i g c t 的开通和关断过程中，器件内部发生一个暂态过程，从对i g c t 的结构分 析和开通关断机理的分析来看，理想的暂态开通状态和暂态关断状态可以分开考虑，于 是便把开通和关断作为两个不同的过程分开来模拟。在模拟开通暂态过程中，子电路的 输入为i g c t 关断过程的电压和延时后的门极信号，分别由端口v s z n 和g o n 输入；由 端口v p 、v n 输出为模拟电压两个端e l 的电压值为电容c 。上的电压值；1 g c t 的开通 暂态控制模拟电路如图2 1 0 所示。在g o n 为l 时，此电路的等效电路为一个二阶电路， 其中有： - o = t x ( 2 - 1 ) e l = k e i i x ( 2 - 2 ) 其中，j d 为电容c l 在i g c t 刚开通时刻的初始值，k s e n 为电压传感器的比例系数， p 匆为关断过程时刻的i g c t 电压值，如，为电压控制比例系数。此时，以电容c l 上的电 压u 。为状态变量的方程为： 上c毪警-fuc=eldt ( 2 - s ) 2 击 。 则可以求出： “。= a e mc o s ( + 伊) + b ( 2 4 ) 其中：a ：“。，f 矿，a ：一r 2 l ，国。= 五瓦，0 ，妒= t g 一1 ( 一d 五尹) ， 第二章i g c t 的结构分析与建模仿真 曰= e ，d = r 2 厄万，= l 万； 由此暂态过程可以模拟i g c t 的开通暂态过程，当d 1 ，且虹， o 5 时，电容c l 上的电压在稳定后为零，