摘 要：介紹了IGCT使用中應(yīng)注意的事項及IGCT在兩電平逆變器及中點箝位三電平逆變器應(yīng)用中箝位電路的參數(shù)設(shè)計方法，分析了IGCT在中點箝位三電平逆變器應(yīng)用中需要施加外觸發(fā)的原因，給出了IGCT在6kV高壓變頻調(diào)速及50MVA STATCOM中的應(yīng)用情況，并給出了大功率逆變器額定運行工況試驗方法及試驗結(jié)果。 關(guān)鍵詞：高壓變頻器，STATCOM，集成門極換向型晶閘管 采用晶閘管技術(shù)的GTO是常用的大功率開關(guān)器件，它相對于采用晶體管技術(shù)的IGBT在截止電壓上有更高的性能，但廣泛應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)GTO驅(qū)動技術(shù)造成不均勻的開通和關(guān)斷過程，需要高成本的dv/dt和di/dt吸收電路和較大功率的門極驅(qū)動單元，因而造成可靠性下降和價格較高的缺點。此外，也不利于串聯(lián)以便用于更大容量的裝置。硬驅(qū)動概念的出現(xiàn)極大地改進了GTO的關(guān)斷性能。IGCT在GTO技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用硬驅(qū)動技術(shù)，并將門極驅(qū)動電路、GTO芯片和反并聯(lián)二極管集成于一體，結(jié)合了晶閘管的低通態(tài)損耗和晶體管均勻的關(guān)斷能力兩種優(yōu)點，具有開關(guān)頻率高、損耗小、無需關(guān)斷吸收電路、串聯(lián)容易實現(xiàn)等優(yōu)點，已逐步取代GTO廣泛應(yīng)用于中等電壓大容量變流器中。 本文介紹了IGCT使用中應(yīng)注意的事項及IGCT在兩電平逆變器及中點箝位三電平逆變器應(yīng)用中箝位電路的參數(shù)設(shè)計方法，分析了IGCT在中點箝位三電平逆變器應(yīng)用中需要施加外觸發(fā)的原因，給出了IGCT在6kV高壓變頻調(diào)速及50MVA STATCOM中的應(yīng)用情況，并給出了大功率逆變器額定運行工況試驗方法及試驗結(jié)果。 1． IGCT過電壓箝位電路參數(shù)設(shè)計 鏈節(jié)的設(shè)計主要圍繞IGCT的安全運行進行，包括驅(qū)動電源、控制與保護電路的設(shè)計及箝位電路參數(shù)設(shè)計。IGCT控制與保護電路的設(shè)計應(yīng)注意如下要求： 1） 鏈節(jié)直流電容電壓必須在IGCT驅(qū)動電源完全建立之后建立；相反，IGCT驅(qū)動電源必須在鏈節(jié)直流電容完全放電之后關(guān)閉，否則，由于IGCT驅(qū)動電路的特殊機理，會導(dǎo)致IGCT誤導(dǎo)通進而導(dǎo)致橋臂直通，損壞IGCT。 2） 控制電源上電過程中應(yīng)防止產(chǎn)生異常高頻驅(qū)動脈沖信號，這會導(dǎo)致驅(qū)動功率放大部分功率器件損壞。 3） 驅(qū)動脈沖處理電路要保證最小開通和最小關(guān)斷時間都大于10微秒。 4） 當(dāng)應(yīng)用于二極管箝位三點平逆變器時，必須給內(nèi)部6只IGCT施加正確的外觸發(fā)脈沖。 當(dāng)不采用關(guān)斷吸收電路時，IGCT關(guān)斷過電壓箝位電路的布置必須仔細(xì)設(shè)計，確保其回路雜散電感小于IGCT參數(shù)表中推薦的值。 LA為陽極電抗，起到抑制IGCT開通電流上升率di/dt的作用，DA、CCL、RA起到IGCT關(guān)斷過電壓箝位的作用。IGCT箝位電路參數(shù)按如下方法設(shè)計： 1）陽極電抗 di/dtmax是IGCT和反并聯(lián)二極管允許的最大值。即在電壓型逆變器中，每個IGCT的導(dǎo)通都伴隨著一個二極管的關(guān)斷，因此必須考慮二極管關(guān)斷時允許的最大di/dt。 2） 陽極電路與橋臂間的雜散電抗 越小越好。 越大導(dǎo)致IGTC關(guān)斷損耗和第一個關(guān)斷過電壓 越大，安全工作區(qū)越小。 3） 箝位電路 當(dāng)直流側(cè)電容遠(yuǎn)大于箝位電容且雜散電感可忽略時，陽極箝位電路可看成一個阻尼并聯(lián)諧振的RLC電路。一般的應(yīng)用中，直流側(cè)電容遠(yuǎn)大于箝位電容是成立的，但雜散電感一般不可忽略。有時回路CD-CCL-RA中的雜散電感LS對關(guān)斷時IGCT陽陰極間的第二個過電壓峰值VDM的影響不能忽略。 然而，不只要考慮VDM，還要考慮陽極電路到準(zhǔn)備好下一次換流前所需的時間。當(dāng)IGCT導(dǎo)通時，箝位二極管被強制從導(dǎo)通狀態(tài)或低電壓阻斷狀態(tài)變成高電壓阻斷狀態(tài)。如果二極管正在導(dǎo)通，它此時關(guān)斷的di/dt只被LCL限制。在重復(fù)的工況下，這種應(yīng)力可能會超過二極管允許的di/dt能力。因此，IGCT在關(guān)斷后必須保持一個最小的關(guān)斷時間，以保證箝位二極管承受的關(guān)斷di/dt在允許范圍內(nèi)。 知道箝位電抗值后，其他箝位電路元件參數(shù)可通過求解二階微分方程得到。 設(shè)定阻尼系數(shù)D為0.8，則如果RA-CCL-CD回路的雜散電感很小，就可得到一個可接收的關(guān)斷暫態(tài)過程。 最后，IGCT的最小關(guān)斷時間可設(shè)為等于阻尼振蕩的周期TD。 對5SHX08D4502型IGCT，選LA=12微亨， di/dt最大為230A/uS（直流電壓為2800V），滿足要求。按以上計算方法并留出裕量，CCL選取為2微法，RA選為1.2歐，最小關(guān)斷時間選取必須大于25微秒。 對5SHY35L4510型IGCT，選LA=5微亨， di/dt最大為560A/uS（直流電壓為2800V），滿足要求。按以上計算方法并留出裕量，CCL選取為10微法，RA選為0.65歐，最小關(guān)斷時間選取必須大于10微秒。 2．IGCT在NPC三電平逆變器中的應(yīng)用 當(dāng)采用圖2所示的逆變器實現(xiàn)6kV異步電機的變頻調(diào)速時，每只IGCT必須采用兩只4500V IGCT串聯(lián)運行。為了保證串聯(lián)的IGCT能有好的均壓效果，需要采用圖2所示的均壓電路。圖3給出了兩只5SHX08D4502型IGCT串聯(lián)運行時實測的關(guān)斷過程陽陰極電壓波形，表明只要采用適當(dāng)?shù)木鶋弘娐穮?shù)，IGCT在開關(guān)及過程中及關(guān)斷狀態(tài)均能保持良好的均壓效果。 由于NPC三電平逆變實現(xiàn)6kV變頻器時IGCT必須采用RC 吸收電路保證其均壓，而RC吸收電路將導(dǎo)致NPC三電平逆變器內(nèi)部六只IGCT在從續(xù)流狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)時必須承受超過50A/uS上升的電流，因而必須采用外部脈沖重觸發(fā)。原因解釋如下： 在任何電壓源逆變器中，當(dāng)續(xù)流二極管導(dǎo)通時都可能引起門陰極負(fù)偏壓。在處于門陰極負(fù)偏壓情況下時將會發(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）向正方向過零點時，在GCT進入栓住狀態(tài)前，陽陰極電壓就開始上升（趨于關(guān)斷）。 為了在上述情況下能夠安全運行，在ABB公司的IGCT門極單元設(shè)計中加入了重觸發(fā)（re-trigger）設(shè)計：它1）檢測門陰極電壓極性VGK；2）當(dāng)處于VGK負(fù)極性時減小門極電流；3） 當(dāng)VGK 重新變?yōu)檎驎r，自動重新施加一個開通信號（內(nèi)部重觸發(fā)）。 這個內(nèi)部重觸發(fā)設(shè)計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)時，有較大的di/dt的電流重復(fù)施加在IGCT上時，需要施加一個外部的重觸發(fā)信號[6]。 3． IGCT在50MVA STATCOM中的應(yīng)用 3.1 鏈節(jié)及其額定運行工況試驗 為上海西郊變電站50MVA STATCOM的鏈?zhǔn)絾卧孀兤髦麟娐穲D。圖中逆變開關(guān)器件采用4500V/4000A IGCT－5SHY35L4510，反并聯(lián)二極管采用5SDF16L4502，直流電容電壓為8000uF， LA、DA、RA和CCL構(gòu)成陽極箝位電路，S和R構(gòu)成直流電容放電電路。每相IGCT閥由10個鏈節(jié)串連而成，其中2個為冗余運行鏈節(jié)，當(dāng)發(fā)生鏈節(jié)故障時冗余鏈節(jié)自動投入。每相IGCT閥兩端連接一臺氧化鋅避雷器，用于對IGCT閥進行瞬態(tài)過電壓保護。 為了有效地驗證鏈節(jié)在額定工況下運行時IGCT壓裝及連接工藝、控制電源、控制、保護、冷卻、電磁兼容等方面的設(shè)計是否達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，需要對鏈接進行額定工況運行試驗[5]。試驗時兩個被試驗鏈節(jié)輸出通過一個連接電抗相連，其中一個鏈節(jié)的直流電容由外接直流電源供電，另一個鏈節(jié)直流電容懸浮，通過控制兩個鏈節(jié)輸出電壓相位角來控制鏈節(jié)間交換的無功功率方向和大小，如圖5。兩個鏈節(jié)的損耗由直流電源DC提供。試驗控制器進行控制，使得一個鏈節(jié)發(fā)出額定無功時，另一個鏈節(jié)吸收額定無功。每個鏈節(jié)發(fā)出和吸收額定無功各進行一遍。 3.2 試驗結(jié)果 試驗時冷卻水系統(tǒng)流量：70L/M；去離子水電阻率：10.75MΩ。對50Hz和150Hz兩種開關(guān)頻率進行了試驗。 50Hz觸發(fā)脈沖時，容性工況的鏈節(jié)1右橋臂上IGCT管陽陰極電壓波形及輸出電流波形，最大關(guān)斷電流為2500A， 關(guān)斷發(fā)生在直流電壓2500V時，IGCT關(guān)斷過電壓峰值為3400V。 為150Hz觸發(fā)脈沖時鏈節(jié)1輸出電壓和電流波形，最大關(guān)斷電流均為2500A， IGCT關(guān)斷過電壓峰值均小于3400V。 4．結(jié)論 IGCT是將GTO技術(shù)和現(xiàn)代功率晶體管以及IGBT技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的新一代大功率半導(dǎo)體器件，在將來的0.5MVA到幾百MVA的中高壓應(yīng)用中，它將是關(guān)鍵的器件。它固有的特性保證了大功率應(yīng)用中大功率可關(guān)斷器件串聯(lián)連接的簡單和穩(wěn)定性。同其它可關(guān)斷器件相比，由于還有成本低、復(fù)雜程度低以及高效率的優(yōu)勢。IGCT將在大功率FACTS裝置及大功率傳動裝置中得到廣泛的應(yīng)用。 在50MVA STATCOM應(yīng)用中，采用IGCT的鏈節(jié)已完成了其背靠背額定工況運行試驗。鏈節(jié)各IGCT在關(guān)斷大電流時關(guān)斷過電壓在設(shè)計范圍內(nèi)。在額定工況連續(xù)運行過程中，鏈節(jié)各部件和功率器件的溫升不大，無局部過熱現(xiàn)象發(fā)生，水冷散熱情況良好，滿足鏈節(jié)運行要求。鏈節(jié)電子設(shè)備在高電壓強磁場環(huán)境下工作可靠，具有很好的抗干擾能力。鏈節(jié)試驗表明鏈節(jié)的設(shè)計和制造達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。