IGCT應用講義

劉文華

清華大學電機系FACTS研究所 2006年9月2/3/2023主要內容

1.IGCT在電壓源逆變器中的應用

2.門極單元的應用 3.外部重觸發 4.IGCT的串聯運行 5.IGCT在50MVASTATCOM中的應用 6.IGCT功能仿真模型及應用 7.IGCT異常故障及關斷故障機理 (SPEC：Prof.Huang）

2/3/20231IGCT在電壓源逆變器中的應用－設計準則

2/3/2023典型電壓源逆變器2/3/2023設計準則反并聯二極管的關斷di/dt限制最小開通時間和最小開通時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 一般設計：tBD＝10-15us2/3/2023參數設計第一步：計算LI第二步：計算CCL第三步：計算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。應設計使LCL小于參數文件中測試時的值，否則，安全工作區要打折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；應根據實際試驗結果確認。（a）Rs=0.35Ω

（b）Rs=0.65Ω

（c）Rs=1.2Ω

對5SHY35L4510的仿真結果

2/3/2023LI2的影響LI2越大，VDM越大，箝位二極管截止時間越長；應盡可能減小LI2

（a）LI2=0.6uH

（b）LI2=1.2uH

（c）LI2=2.0uH

對5SHY35L4510的仿真結果

2/3/2023CCL的影響

（a）CCL=6uF

（b）CCL=15uF

（c）CCL=24uF

CCL越大，VDM越小，箝位二極管截止時間越長；應根據實際試驗結果確認CCL

對5SHY35L4510的仿真結果

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關斷第一個尖峰；耐壓等級越高的二極管VFR越大；盡量減小箝位二極管支路的雜散電感。2/3/20232門極單元的應用－門極驅動電源直流供電：VDC=交流供電：方波幅值，起動限流：交流供電的IGCT內部有限流和穩壓電路；直流電源供電的IGCT內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消耗驅動功率：與開關頻率、關斷電流及占空比有關關斷電流需要的功耗空載需要的功耗2/3/2023門極驅動電源門極驅動電源上電過程中要確保接受脈沖的光纖處于不發光狀態（對應IGCT關斷狀態）。門極單元上電5秒后才能接收驅動脈沖。（最好先上控制電，再上驅動電源）?？刂齐娫瓷想?、下電過程中要確保先封鎖驅動脈沖，否則光強的不足會導致門極驅動單元產生高頻脈沖，損壞門極驅動。2/3/2023門極驅動電源直流母線電壓必須在IGCT驅動電源完全建立（上電5秒）之后建立；相反，IGCT驅動電源必須在鏈節直流電容完全放電之后關閉，否則，由于IGCT驅動電路的特殊機理，會導致IGCT誤導通進而導致橋臂直通，損壞IGCT?？刂齐娫瓷想?、下電過程中要確保先封鎖驅動脈沖，否則光強的不足會導致門極驅動單元產生高頻脈沖，損壞門極驅動。驅動電源隔離絕緣電壓強度；驅動電源的高可靠性。2/3/2023光纖及信號接口HFBR1521/2521；HFBR1528/2528。需注意驅動距離，防止驅動不足。開通和關斷信號延遲：3uS左右；無門極返回信號IGCT的診斷：設計外加返回信號；IGCT自身需：2/3/20233.重觸發在任何電壓源逆變器中，當續流二極管導通時都可能引起門陰極負偏壓。在處于門陰極負偏壓情況下時將會發生：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）當電流由負電流（續流情況）向正方向過零點時，在GCT進入栓住（Latching）狀態前，陽陰極電壓就開始上升（趨于關斷）。在ABB的IGCT門極單元設計中加入了re-trigger設計：它1）檢測門陰極電壓極性VGK；2）當處于VGK負極性時減小門極電流；3)當VGK

重新變為正向時，自動重新施加一個開通信號（InternalRe-Trigger）。這個內部re-trigger設計可以處理電流變化率小于50A/us的情況，如果IGCT處于續流狀態或低電流導通狀態(lowanodecurrentconduction,quiescentmode)時，有較大的di/dt的電流重復施加在IGCT上時，需要施加一個外部的重觸發信號(ExternalRe-trigger)。IGCT在導通大于LATCHING電流的電流時，可以承受大的di/dt，不需重觸發。2/3/2023外部重觸發A和C：電流上升前足夠大，不需重觸發，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；D：電流上升率小，內部重觸發足夠。2/3/2023外部重觸發方法在導通的光纖驅動信號中插入寬度為tretrig的低電平；tretrig見參數文件；tretrig太小會被忽略，太大會導致關斷；2/3/2023外部重觸發的時刻應該如上圖施加外部重觸發，使大的di/dt發生在B段；一般大的di/dt由另一個IGCT的開通引起，可與之同步施加外部重觸發。2/3/2023需要外部重觸發的實例開始時電流沿實線流，V4和V3導通，V2截止；接著V4關斷，死區時間后V2開通，電流開始沿虛線走；V2開通時V3和V4的反并聯二極管都流過反向恢復電流，如果V4D反恢復電流大于V3D的，則V3需承擔部分正向電流，此電流di/dt大，V3需外部重觸發，否則V3上會產生1-2uS/高達2kV的脈沖電壓。有RC吸收電路時，更需只需分析需要外部重觸發的情況。2/3/20234.IGCT的串聯運行由于硬驅動特性，IGCT存儲時間小到1us左右，只需小的吸收電路即可實現串聯運行。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動脈沖的時延；開通脈沖有小的時延時，由于陽極電抗對電流的限制，開通過程承受的電壓差不會太大。圖中，S1開通脈沖超前S2的時間是300ns。2/3/2023關斷過程關斷過程的均壓效果受多個因數影響。2/3/2023設計準則1.每個器件每個時刻承受的動態電壓都必須小于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，關斷后所有點電壓盡可能均分；需設計冗余IGCT，否則損壞的IGCT短路后會導致其他串聯IGCT損壞；增大吸收參數總能達到更好的均壓效果，需綜合考慮效率、成本和均壓效果。2/3/2023箝位電路參數的折算箝位電路參數可按下式折算（n為串聯IGCT個數）2/3/2023影響關斷均壓的因素IGCT器件自身參數的影響 1）關斷延時的差別； 2）由于關斷延時與VT有關，因此，VT的差別也影響關斷均壓。2/3/2023影響關斷均壓的因素關斷延時差別越大時，均壓誤差隨關斷電流的變化而更明顯變化。IDRM：斷態漏電流的差別會影響關斷后的均壓效果，需設置靜態均壓電壓，該電阻必須按IDRM大小來選擇。同時需考慮反并聯二極管的漏電流。2/3/2023影響關斷均壓的因素控制脈沖信號延時的影響吸收電容的影響結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，阻尼關斷后振蕩效果差，也會增加IGCT的開通損耗。2/3/20235.IGCT在50MVASTATCOM中的應用－50MSTATCOM構成2/3/2023基于IGCT的50M鏈式逆變器主電路50MSTATCOM是國際上首臺采用IGCT器件的MVA級鏈式STATCOM裝置2/3/202350M鏈式STATCOM實物2/3/2023基頻優化PWM控制策略

通過控制各LINK的開關角度，控制基波輸出電壓，并在同時尋求一個最優的諧波優化目標。優化函數如下： 約束條件：其中

實測相電壓輸出相電壓各單相橋輸出電壓優化條件少，對直流電壓紋波峰值限制及電壓平衡控制不利2/3/2023150Hz優化PWM控制策略使輸出電壓的基波幅值為控制目標值，并且使各單相橋輸出的基波電壓幅值相位完全相同，且對直流電壓峰值進行限制；使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達到最優。優化目標函數為:

約束條件為:

各單相橋輸出電壓輸出相電壓實測相電壓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?。ㄐ∮?kW），IGBT器件要求耐壓高/電流小，選擇困難，控制復雜，不利于裝置的可靠性。2/3/2023基于脈沖循環換位及PWM制動的直流電壓平衡控制方法結合放電開關的PWM控制脈沖循環換位示意圖簡單，成本低，隔離變壓器容量小（1.5kVA）輸出超前15kvar－滯后15kvar輸出滯后15kvar－超前15kvar2/3/2023全數字化高速高精度控制系統系統故障及突增負荷時，動態地提供電壓支撐，減少低壓釋放負荷數量，防止發生暫態電壓崩潰結合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態無功控制/電壓平衡控制FPGA脈沖發生板多目標150Hz優化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分層分布式監控系統的主界面

2/3/2023試驗標準與試驗制訂的標準：鏈式STATCOM閥的試驗標準 1）閥端對地間的電介質試驗 2）閥端間電介質試驗 3）運行試驗和例行試驗 4）閥的電磁干擾（EMI）鏈式STATCOM裝置現場試驗規范成套鏈式STATCOM裝置企業標準

±50MvarSTATCOM裝置按以上標準通過了全部試驗內容2/3/2023鏈節等價運行與保護試驗試驗目的 對鏈節進行額定負載工況試驗，以便檢驗鏈節在額定工況下運行時電源、控制、保護、冷卻、電磁兼容等方面的設計是否達到了技術標準的要求一個鏈節發無功，一個鏈節吸無功，外接直流電源只需提供被試對象的損耗2/3/2023額定工況試驗結果（50Hz開關頻率）

a)容性鏈節輸出電壓電流b)感性鏈節輸出電壓電流

（直流電壓2400V/輸出電流1700A）（直流電壓1600V/輸出電流1700A）50Hz開關頻率時額定工況運行試驗總功耗為43.2kW，測算連接電抗功耗為18kW,單個鏈節損耗12.6kW，30個鏈節總損耗為378kW2/3/2023額定工況試驗結果（150Hz開關頻率）

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

150Hz開關頻率時額定工況運行試驗總功耗為51.8kW，測算連接電抗功耗為19kW,單個鏈節損耗16.4kW，30個鏈節總損耗為492KW2/3/2023等價過電流試驗等價過電流試驗的目的是驗證鏈節主要（一次）設備是否能夠耐受由過電流引起結溫升高后的電壓應力和檢驗過電流保護裝置在最大關斷電流出現時關斷IGCT的能力通過同時觸發鏈節中的對角開關管SLA1和SRB或SRA和SLB，使直流電容電壓加在試驗電抗器L上，引起L上電流線性上升。當保護電路檢測到L上電流達到保護整定值時，封鎖全部開關管的驅動脈沖。試驗前IGCT外殼加熱到額定運行溫度。2/3/2023等價過電流試驗結果過電流波形（3000A峰值關斷）關斷2500V/3000A時過電壓波形

2/3/2023絕緣試驗考核指標及要求的試驗結果試驗項目試驗值要求與考核指標閥端對地工頻交流耐壓試驗和局部放電的測量試驗電壓42kV，持續1分鐘；18.5kV，持續10分鐘，記錄最后1分鐘局部放電水平。試驗時應沒有閃絡現象，局部放電水平峰值應不大于50pC。雷電沖擊試驗電壓波形為1.2/50μs，峰值為±75kV，正負極性各施加3次。試驗時應沒有擊穿和閃絡現象。閥端間工頻交流耐壓試驗試驗電壓23.3kV，持續1分鐘。試驗時應沒有閃絡現象，鏈節保護應不動作，試驗結束后無元件損壞。鏈節端間局部放電測量試驗電壓2.6kV，持續1分鐘；2.1kV，持續10分鐘，記錄最后1分鐘局部放電水平。試驗時應沒有閃絡現象，局部放電水平峰值應不大于50pC。操作沖擊試驗電壓波形為250/2500μs，峰值為±33kV，正負極性各施加3次。試驗時應沒有閃絡現象，無保護性觸發動作或誤觸發現象，試驗結束后無元件損壞。2/3/20236.IGCT功能仿真模型及應用1.功能模型的物理依據

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.不同等級下U(t)或I(t)的來源a.開通時，器件的電壓形狀相對簡單，且有一定的規律b.關斷時，器件的電流形狀相對簡單，且有一定的規律2/3/2023IGCT工作原理及開關特性參數名稱參數符號最大值斷態重復峰值電壓(V)VDRM4500斷態重復峰值電流(mA)IDRM50直流環節電壓(V)VDClink2800最大可控關斷電流(A)ITGQM4000通態壓降(V)VT2.7門檻電壓(V)VT01.4開通延時(us)tdon3.5上升時間（us）tr1關斷延時(us)tdoff7關斷損耗能量(J)Eoff225SHY35L4510IGCT主要參數2/3/2023二極管工作原理及開關特性反向阻斷電壓和正向通態電壓開通：正向恢復過程呈現“電感效應”，而不立即響應正向電流的變化關斷：反向恢復過程加反壓到截止，清除過剩少數載流子，表現為電流反向流動；達最大值后，二極管恢復阻斷能力2/3/2023二極管工作原理及開關特性參數名稱參數符號最大值斷態重復峰值電壓(V)VRRM4500斷態重復峰值電流(mA)IRRM150通態壓降(V)VF4.51正向恢復電壓峰值（V）Vfr80正向恢復時間(us)tfr6電流變化率峰值（A/us）di/dt600反向恢復電流峰值（A）Irr1200反向恢復電荷峰值（uC）Qrr3900關斷能量損耗(J)Err9.0

5SDF16L4503二極管主要參數2/3/2023建模環境和方法采用PSCAD仿真平臺；與C語言內部接口，可編程，系統設計的仿真平臺；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律降為導通電壓；而電流I由負載電流決定。關斷過程，僅能控制電流I，由關斷前瞬間的負載電流按照一定規律降為關斷后的泄漏電流；而電壓V由外部電路、吸收回路決定。比如：關斷過程中，對電流的控制下降電流拖尾電流分別用兩個正弦曲線的一段來模擬2/3/2023IGCT的C語言功能模型參數名稱數值tdon3.5tdoff6Vces0.0027Iblock0.00005Vt01.4e-3rt0.325e-3dt50Ton50Toff150Toff2100Toff350Toff200k0.42/3/2023IGCT的C語言功能模型——測試電路2/3/2023仿真與實驗結果仿真結果技術手冊IGCT開通損耗1.87J1.5J二極管關斷損耗7.10J<9.0J開通波形開通損耗關斷波形關斷損耗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果2/3/2023T/D模型內部結構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

顯著優點橋臂中點引出，器件兩端可以并聯RC吸收電路仿真結果450uH900uH2/3/2023等價額定運行試驗仿真結果容性工況感性工況2/3/2023等價過電流保護試驗仿真結果IGCT電壓直流電容電流2/3/20237.IGCT異常故障及關斷故障機理（SPEC：Prof.Huang） IGCT故障原因：開通di/dt限制不夠；過電壓（靜態和動態）；過溫；TON、TOFF、TBD時間太短；門極驅動電源及控制電源的上、下電；門極驅動電源故障；關斷過電流；反并聯二極管損壞引起IGCT損壞；異常故障及關斷故障2/3/2023Sn的故障

開始時，ILOAD大于0，SP處于關斷狀態Sn關斷后，經過死區時間SP開通。

SPSnDPDnVBUSILoad2/3/2023IGCT等效模型G-A極等效為一個二極