1引言

大功率電力電子器件［8］［9］及大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得采用高—高直接變換方式實(shí)現(xiàn)高壓（6kv，10kv）變頻調(diào)速裝置成為可能。與高—低—高變換方式的高壓變頻器相比，高—高變頻器具有體積小、重量輕、效率高、性能價(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，因而得到越來(lái)越多的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)也有多家公司推出了采用基于igbt器件的單元串聯(lián)單相橋式主電路結(jié)構(gòu)的高壓變頻器產(chǎn)品，這種主電路結(jié)構(gòu)由于igbt器件數(shù)量多、信號(hào)調(diào)制復(fù)雜而使得整體可靠性較差，驅(qū)動(dòng)能力低，其輸出功率也因igbt單管容量有限而受到限制。而igct（integratedgatecommutatedthyristor）是90年代在晶閘管技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合igbt［5］和gto等成熟技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型器件。因此，它比igbt更適合于高電壓、大容量方面的使用。同時(shí)igct在gto的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，因而與gto相比更具有開(kāi)關(guān)狀態(tài)損耗低、門(mén)極控制簡(jiǎn)單、關(guān)斷速度快、主回路接線簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。目前使用的igct元件最高耐壓水平為5.5kv，適合于大容量變頻器使用。鑒于igct器件完好與否關(guān)乎變頻器設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)交流電動(dòng)機(jī)電源的變頻改造可以改善啟動(dòng)性能，從而延長(zhǎng)電動(dòng)機(jī)的使用壽命，降低企業(yè)的生產(chǎn)成本至關(guān)重要［1］。

2igct子電路模型的建立

2.1igct結(jié)構(gòu)與工作原理［6］

igct是集成門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路和門(mén)極換流晶閘管gct的總稱，在工藝上采用了單元結(jié)構(gòu)集成的方法，其陰極被細(xì)分為許多個(gè)單元胞，周?chē)砷T(mén)極包圍，形成所謂多陰極的結(jié)構(gòu)，整個(gè)芯片的外面是反并聯(lián)的快速二極管。

igct的陽(yáng)極pnp三極管，是一只高壓大電流的三極管，n基區(qū)很厚，在關(guān)斷之始，n基區(qū)有大量的存儲(chǔ)電荷，這就需要陽(yáng)極電流有一定時(shí)間（1-2μs）去除這些電荷。由于其陰極npn三極管anpn。值大，即比較靈敏，因此，在這個(gè)時(shí)間內(nèi)，陰極三極管能夠轉(zhuǎn)出工作區(qū)，這樣當(dāng)陽(yáng)極電壓上升時(shí)，就不會(huì)有任何陰極電流了，也就是說(shuō)，在關(guān)斷時(shí)igct是一個(gè)基極開(kāi)路的pnp三極管。在開(kāi)通階段，數(shù)百安培的門(mén)極電流強(qiáng)脈沖迅速有效地使陰極npn三極管在晶閘管開(kāi)關(guān)動(dòng)作之前進(jìn)入飽和區(qū)，即使在非常高的di/dt的情況下，開(kāi)通損耗也幾乎可以忽略。

2.2igct的建模及仿真

在本文中，建立igct模型［2］的目的是用來(lái)研究逆變器的動(dòng)態(tài)行為特征，故采用了子電路模型對(duì)其進(jìn)行仿真。又因igct的低電感（單元延遲可忽略），對(duì)igct采用了單2t-3r仿真電路［9］。圖1給出了abb公司生產(chǎn)的型號(hào)為5shx04d4502的igct仿真電路，vdrm=4500v，itgqm=630a。

仿真結(jié)果如圖2（a）所示，它與igct實(shí)測(cè)關(guān)斷波形（如圖2（b）所示）相比較，基本吻合，從而較好地完成了對(duì)igct的仿真。但仍然存在一些差異：仿真結(jié)果比較線性；未能更詳細(xì)的給出陽(yáng)極峰值電壓之后的振蕩過(guò)度過(guò)程。而用此模型去仿真逆變單元，將具有足夠的精度。

2.3基于igct的逆變單元

本文所仿真的高壓變頻器的參數(shù)是根據(jù)火電廠風(fēng)機(jī)系統(tǒng)確定的，設(shè)電壓為6kv，容量為2mva，每個(gè)功率單元中的逆變電路的原理接線如圖3所示。與單一的整流—逆變功率單元電路圖相比，添加上實(shí)際電路中的軛流電路及雜散電感。為了觀察逆變器中igct動(dòng)態(tài)行為特征，在逆變器的仿真中采用了詳細(xì)模型，如圖3所示，圖中的s1~s4均采用圖1所示單2t-3r仿真電路代替［7］，且反并聯(lián)一快速二極管，從而構(gòu)成逆導(dǎo)型igct的pspice模型，rsnubber、dclamp、lsnubber、cclamp分別是吸收電阻、箝位二極管、軛流電感和箝位電容，它們組成了逆變器的開(kāi)通吸收回路，即軛流回路，ls為電路中的雜散電感。

由于對(duì)控制系統(tǒng)特性的仿真需要較長(zhǎng)的時(shí)間，圖4為簡(jiǎn)化的逆變器控制電路及調(diào)制信號(hào)，而本文中所關(guān)注的是逆變裝置的特性，故在不失一般性的情況下可將控制環(huán)的行為用如圖5（a）所示的固定的信號(hào)源代替。用表函數(shù)（etable，圖中的e1、e2）對(duì)比較器進(jìn)行建模，用于比較兩個(gè)輸入端的三角波載波信號(hào)和正弦波參考信號(hào)的大?。ㄐ盘?hào)如圖5（b）所示），并據(jù)此產(chǎn)生pwm控制信號(hào)，分別控制s1、s2（igct單元），用一壓控電壓源（e3、e4）控制端反接上述輸出信號(hào)，其輸出信號(hào)控制s3、s4（igct單元）。s1、s3的控制信號(hào)如圖5（b）、5（c）所示，可以看出，二者是互補(bǔ)的。s2、s4的控制信號(hào)分別滯后s1、s3180°。

3igct仿真與分析

在仿真過(guò)程中，圖5（a）中的vr1正弦調(diào)制信號(hào)電壓、vr2為三角載波信號(hào)電壓，幅值分別取8和10，vc的幅值取10，即調(diào)制比m取0.8；vc的頻率取值800hz，即載波頻率為800hz。分別仿真了以下三種情況：

（1）理想情況下，不考慮線路的雜散電感，加載阻性負(fù)載rload=20ω。仿真波形如圖6所示。

（2）考慮較大的雜散電感。圖8

考慮雜感情況下的仿真波形，橋臂中的雜散電感對(duì)igct的關(guān)斷產(chǎn)生過(guò)電壓大小和形狀影響很大。逆變器一橋臂仿真電路中雜散電感的示意圖如圖7所示。其中l(wèi)s1為開(kāi)通吸收電路中吸收電阻rsnubber支路的雜散電感，其數(shù)值跟吸收電阻的選型有密切關(guān)系，一般在100~500nh之間為換流回路的雜散電感，其數(shù)值跟主電路的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有密切關(guān)系，一般在100~1000nh之間：ls3為開(kāi)通吸收電路中電容支路的雜散電感，其數(shù)值跟吸收電容的選型有密切關(guān)系，一般100~500nh之間。在仿真過(guò)程中，分別取ls1=100nh，ls2=400nh，ls3=1000nh。同時(shí)加載感性負(fù)荷，rload=20ω，rload=10mh，其它參數(shù)同第一種情況一樣，仿真波形如圖8（a）和圖8（b）所示。

（3）考慮一種故障情況，交流電源輸入側(cè)的中性點(diǎn)與交流輸出側(cè)lg濾波器中的電容接地接至同一接地網(wǎng)，當(dāng)電容器的容量較大時(shí)，例如取9000μf，其它參數(shù)也同第一種情況，圖8（c）為故障情況下的igct端部電壓仿真波形，圖8（d）為故障情況下的igct橋臂電流。

由仿真結(jié)果可以看出，對(duì)于情況（1）即理想情況的仿真，與理想的理論結(jié)果相比，波形中出現(xiàn)了毛刺，這是由于電路中含有軛流電感的緣故，符合實(shí)際情況。情況（2）最接近現(xiàn)場(chǎng)情況，其所采用參數(shù)描述了結(jié)構(gòu)比較松散，電纜雜散電感比較大的情況，其仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合。當(dāng)負(fù)荷比較大時(shí)，由仿真結(jié)果可知，igct的端電壓在某些點(diǎn)上己經(jīng)超過(guò)vdrm（4500v），igct可能擊穿。在調(diào)試時(shí)，也測(cè)到了較大上升電壓，仿真與實(shí)測(cè)相吻合。

情況（3）則是一種嚴(yán)重的故障狀態(tài)，電流遠(yuǎn)大于itgqm=630a。同時(shí)，igct所承受的電壓在某些點(diǎn)上已超過(guò)vdrm（4500v），igct必定會(huì)被擊穿乃至燒毀。

4結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)仿真后試驗(yàn)結(jié)果的分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）igct不安裝關(guān)斷吸收電路，是有條件限制的，要求線路結(jié)構(gòu)緊湊，雜散電感較小。當(dāng)主換流雜散電感較大時(shí)，必須加裝關(guān)斷吸收回路。

（2）通過(guò)pspice仿真，可以再現(xiàn)故障狀態(tài)，并可以人為模擬故障狀態(tài)，在電力電子產(chǎn)品的研發(fā)階段，可找出有關(guān)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，為產(chǎn)品調(diào)試提供依據(jù)，同時(shí)還可以縮短研制周期，節(jié)約開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)。