IGCT的应用.doc

IGCT的应用Matthias Lscher, Thomas Setz, Pascal KernABB 瑞士有限公司半导体部2005,09IGCT（Integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管）半导体控制参数，如门极和关断脉冲的放大、脉冲宽度和上升率、门极电路感应、泄放通道和其它参数是半导体制造者必须认真对待的。带有标准配置门极单元的IGCT广泛应用于电压源型逆变器、电流源型逆变器、斩波器、静态断路器和许多其它拓扑电路。现在，可以简化变流器设计工程师与功率半导体制造者间的电源控制接口、控制信号传输和机械安装的讨论和说明。降低了开发成本和时间，并使功率半导体技术便于普及。本文描述关于IGCT门极单元的电源的基本设计规则和方法/应用建议、隔离和光纤控制接口、控制、诊断和保护参数、以及环境方面。3 用户指南这里说明在正常和故障运行中用户最重要的问题：门极单元电源、接口绝缘、光纤接口、控制及诊断功能。也简要说明如抗电磁干扰、振动抑制、及发热控制等。首先给出IGCT门极单元方框图（见图1）。图1：IGCT门极单元方框图3.1电源接口绝缘IGCT需要的电源绝缘是变流器最大使用的额定电压，这个电压从几千伏到几万伏，超过IGCT的应用范围。因此，需要的绝缘强度和距离可能有很大差别。此外，通过绝缘界面传输的功率消耗很大程度依赖于应用情况，为了解决功率输出能力和绝缘强度，使用者或许需要不同的隔离接口。接口的成本、绝缘接口标准也不同。这就是为什么IGCT门极单元不提供一个与板分开的保护。门极单元电源输出与电源电缆必须能承受变流器功率半导体的高压。门极单元电源连接端子X1定义在IGCT图2，对应的电源电缆端子可在供货商得到。图2 电源输入端子X1（从外部看）输入电压、电流门极单元有整流和电压调节器，此外，隔离变压器输出可以直接连接到出发单元电源输入端子，也可以输入直流电压电源电压VGIN,RMS在数据页已给出。图3是门极单元电源输入原理图。接通电源时，电容CIN充电，经过约3 s，内部电压调节器开始为大电容组充电。电压调节器限制充电电流到IGIN,Max（见数据页）。图3 门极单元电源输入原理当给的门极电源为交流方波时，需要考虑以下问题：电源和电源线也包含寄生电感，这导致电流会出现锯齿波，见图4。图4 用交流电源供电的输入电压和电流的典型波形电流斜坡导致寄生电感的电压压降，则输入的电源电压需要高于最小需要的门极单元输入电压VGIN,RMS。用下面的公式计算需要的电源电压：式中：V0需要的电源电压；VGIN,RMS按照数据页，需要的最小电源电压；PGIN门极单元消耗功率；LS寄生电感；f交流电源频率。这个公式适用于无死时的方波交流电源。交流方波电源通常带有脉冲-脉冲电流限幅，限幅值高于电源电流峰值，可以按下面公式计算：式中：VGIN,RMS按照数据页，需要的最小电源电压；PGIN门极单元消耗功率；电源电流峰值；IGN电源电流整流平均值。在电源上电时，提供最小整流平均电流IGIN,Min，该值可能小于门极单元内部电流限幅。尽管如此，为了避免启动问题，以及电源失电，建议用可提供至少达到门极单元最小电流限幅IGIN,Min的电源。功率消耗IGCT门极单元总的功率消耗很大程度依赖于负载，见图5。关断电流ITGQ、开关频率fs、芯片温度TVj、以及器件技术（门极电荷QGQ）是影响功率消耗的主要因素。传输到GCT的功率大小，较小部分耗散在其自身的门极回路，然而，门极单元在规定的运行范围（？）前必须检查确定。发热限制见图13。图5 例：斩波模式时的门极单元最大输入功率（脉冲传输损耗）3.2 光纤接口光纤控制接口采用工业常用标准元件，基于Agilent技术1的HFBR1528/2528，建议采用标准型号光纤：1 mm POF（Plastic Optical Fibre 塑料光纤），这是低成本和易于解决的方案。对于长距离（ 15 m），建议采用200 um HCS（Hard Clad Silica硬金属铠装硅化）型。门极单元最敏感部分是光纤接口，为了避免故障，强烈建议按照3.5节的指导安装。在用户侧用适当的驱动电路发送门极信号，该接口应适用于IGCT的串联和并联连接。IGCT产品采用的光纤数据在数据页及供货商处提供。3.3 控制方面信号IGCT需要一个门极信号及返回一个状态信号，门极单元发送该信号如下：亮=IGCT导通；灭=IGCT不导通（关断）。门极单元电源上电任何在电源上电前试图打开IGCT都是完全可能引起电源故障或者甚至损坏门极单元，至少在门极单元运行前5秒提供门极电源。明确不推荐在门极电源上电前阳极有电压。而且，如果发送的光强与电源电压坡度成比例时，当用户控制系统电源的上电和停电、发送光时可能损坏门极单元。图6为任意的、无约束的开关频率在这些情况下当光强缓慢变化通过这个区域，门极单元光纤接受器不能判断其为ON或OFF，门极单元元件因此过载。图6 控制板电源上电时的门极-阴极电压尖峰滤波器尖峰滤波器抑制出现在光纤输入端的尖峰噪声，所有以tglitch为宽度的脉冲，tglitch 500 ns、OFF脉冲宽度1.3 s），其最小脉冲宽度（ON或OFF）为3.5 s。另外，门极单元给出的最小脉冲宽度小于IGCT需要的最小重复ON或OFF时间：tONMIN，tOFFMIN：见相应数据页。同时，重复最小ON+OFF时间：(tON +tOFF)MIN：见相应数据页。对于单个短脉冲，保护是允许的。CH4: 门极信号 (HIGH=Light)CH1: VGKCH2: 门极电流 50 A/Div图7 开通延时通态再触发在ON状态的负门极偏置是IGCT和GTO门极单元运行中麻烦的事情，这种情况出现在任何VSI（电压源型逆变器）电路中当一个逆并联二极管导通时，即开关电流为负时。第一，在这种模式中门极单元的功耗增加；第二，门极电流流过阳极而不流过阴极（这里假定流过）；第三，开关电流过零，GCT不完全具备导通，且阳极电压在封锁发生前被再次建立。所谓“功率脉冲”，即可在示波器上观测到的瞬时电压和电流脉冲的乘积。如果功率脉冲反复产生、且没有抑制的话，功率脉冲的大小不是重要的，有害的是其带来的流过半导体的不均匀的电流，可能导致器件损坏。CH4: 门极信号 (HIGH=Light)CH1: VGKCH2: 门极电流 50 A/Div图8 关断延时为了确保在负偏导通状态可靠运行，IGCT门极单元具有如下特性：a) 检测门极-阴极电压VGK极性；b) 当门极到阴极结之间为负偏时(反并联二极管导通)，降低门极电流；c) 当门极到阴极电压VGK重新变成正时，自动重新执行开通脉冲（称为内部再触发）；d) 在a) c)（ON）通态时，开通脉冲的外部再触发足够解决拓扑回路中反并联二极管由于逆变器过零导通相输出负载电流的“正常的”di/dt 值小于50 A/ms。尽管如此，在某些应用中，内部再触发可能太慢。例如，高di/dt 电流脉冲重复应用于带反并联二极管的IGCT开关导通，或者很低的阳极电流导通（静止模式）。应用外部再触发特性这样相当大的电荷。（For such extraordinary charges the external re-trigger feature was implemented.）当光纤输入脉冲宽度为0.61.1 ms的关断脉冲（无光信号）出现时，执行外部再触发换流。较短的OFF脉冲被忽略（尖峰滤波），较长的OFF脉冲导致一个最小OFF脉冲（3.5 ms）。图9是一个外部再触发命令的例子。切换频率fs和再触发频率fre必须不得超过门极单元允许的发热极限。CH4：命令信号(高：亮)CH1：VGKCH2：门极电流 20 A/Div图9 外部再触发（测量）在内部门极单元，对再触发有一个附加的限制功能：在开通后的最短的再触发时间 20 ms。显而易见，再触发命令仅在导通状态下执行。3.4 诊断/保护状态反馈门极单元提供一个光纤状态反馈输出（SF），信号为OK或FAULT。OK：-在正常运行模式，光纤状态反馈信号为命令信号的反码。FAULT：-电源电压故障（过-/欠电压）：反馈信号Feedback signal in phase to command signal.-门极-阴极短路（IGCT故障）：反馈信号停在黑态（无光线）；-门极-阴极开路（无负载）：反馈信号持久发光；-输出不跟随输入（其它故障）：反馈信号依赖于故障状态信号。在正常运行状态，反馈信号跟随命令信号，响应时间在7 ms内。直接反馈门极单元有直接反馈信息，指示IGCT的状态。图10 LED直接反馈信号诊断状态表光纤状态反馈输出（SF）和四个LED（见图10）提供给用户的信息如下表：光纤命令信号输入光纤状态反馈输出发光二极管LED门极-阴极电压电源电压IGCT状态CSSFGK状态VGint亮不亮电源OK门极OKONOKON亮不亮电源OK门极OKOFF（toff10us）不必管失效亮亮故障不必管失效失效不亮亮电源OK门极OFFOFFOKOFF不亮不亮电源OK门极OFF故障ON不必管失效不亮不亮门极OFF故障不必管失效失效表1：IGCT状态表保护故障情况时总是反馈（SF）与正常信号相反的信号，并且有LED显示故障。门极单元作为执行元件跟随输入（CS）命令，只在故障状态除外：-电源失电当电源失电，只要有足够的逻辑动作电压，门极单元可以保证跟随命令。在最后的有效命令状态将被冻结。保持时间保证如下：ON状态保持时间（无开关）： 200 msOFF状态保持时间（无开关）： 500 ms-门极开路我们强烈建议在没有夹紧GCT部分情况下不要给门极单元通电，当门极电流控制器工作在开路情况下，这种企图可能导致门极单元和使GCT损坏。在门极开路情况下，门极电流被封锁，IGCT不能跟随输入。-门极短路GCT短路使内部电压到零，并使电压调节器到电流限幅。为避免过热，在经数百毫秒后电源与门极单元分断。再经45秒，电源试图再给门极单元供电。这仅在当门极-阴极短路消失时会成功。在持续短路情况下，电源将“泵”电流到短路回路，见图11。CH2：电源回路负载电流 2 A/Div图11 门极短路时门极单元电源负载3.5 环境方面电磁兼容（EMI）IGCT门极单元电磁兼容的主要重点是从门极单元自身到变流器的开关环境噪声。噪声来自门极单元自身开通和关断脉冲的高di/dt，而典型开关环境的产生：-来自母线、电缆和di/dt抑制（di/dt chokes）重复开关的高di/dt和浪涌瞬变电流；-高dv/dt在功率组件结构（散热器、夹紧件）内的电位移、以及在组件元件与地之间的电位移。电磁兼容测试应模拟上述最恶劣的情况：-dv/dt强度： 20 kV/ms，幅值4 kV；- di/dt强度： 5 kA/ms，幅值7 kA；-磁场：150 A/ms，幅值40 kA，9匝线圈，直径=250 mm。安装指南基于前述，建议如下安装指南：-在门极单元与其它变流器部件如母排、或夹紧件/缓冲器导线（有高di/dt）间的最小距离X = 20 cm；-作用于门极单元的最大磁场按照空芯线圈9匝、直径=250 mm，尖峰电流40 kA和距离X=30 cm 试验。EMI是一个复杂的应用问题，我们建议进行变流器整机型式试验。图12 在高di/dt下门极单元与部件间距离发热控制负载能力依赖于元件的功率消耗（见3.1节），建议的最大环境温度也是影响负载能力的因素。图13显示为一个IGCT装置有效运行情况。连续限幅运行不引起直接的故障，但要降低关断能力寿命。 计算寿命20年； 用强迫风冷却（风速 0.5 m/s）； 强迫风冷允许环境温度增加。图13 最大关断电流运行寿命如果连续运行在轻载情况下，建议可以短时过载运行。如果需要稳定运行超出图13的建议区域，应改进通风，有助于保持电容温度低于允许的限幅。由于设备通风情况难于预知，建议在较差的变流器连续运行情况下，将门极单元电容温度测量作为检测程序的一部分，使元件运行在允许的限幅内。振动适应振动适应按如下要求测