采用IGCT电压型逆变器的高压变频器仿真研究

1 引言

　　大功率电力电子器件［8］［9］及大规模集成电路技术的发展， 使得采用高—高直接变换方式实现高压（6 kv，10kv）变频调速装置成为可能。与高—低—高变换方式的高压变频器相比，高—高变频器具有体积小、重量轻、效率高、性能价格比高等优点，因而得到越来越多的应用。国内也有多家公司推出了采用基于igbt器件的单元串联单相桥式主电路结构的高压变频器产品，这种主电路结构由于igbt器件数量多、信号调制复杂而使得整体可靠性较差，驱动能力低，其输出功率也因igbt单管容量有限而受到限制。而igct（integratedgate commutatedthyristor）是90年代在晶闸管技术的基础上，结合igbt［5］和gto等成熟技术开发的新型器件。因此，它比igbt更适合于高电压、大容量方面的使用。同时igct在gto的基础上进行了重新优化设计，因而与gto相比更具有开关状态损耗低、门极控制简单、关断速度快、主回路接线简单等优点。目前使用的igct元件最高耐压水平为5.5kv，适合于大容量变频器使用。鉴于igct器件完好与否关乎变频器设备的安全运行，对交流电动机电源的变频改造可以改善启动性能，从而延长电动机的使用寿命，降低企业的生产成本至关重要［1］。

2 igct子电路模型的建立

　　2.1 igct结构与工作原理［6］

　　igct是集成门极驱动电路和门极换流晶闸管gct的总称，在工艺上采用了单元结构集成的方法，其阴极被细分为许多个单元胞，周围由门极包围，形成所谓多阴极的结构，整个芯片的外面是反并联的快速二极管。

　　igct的阳极pnp三极管，是一只高压大电流的三极管，n基区很厚，在关断之始，n基区有大量的存储电荷，这就需要阳极电流有一定时间（1-2μs）去除这些电荷。由于其阴极npn三极管anpn。值大，即比较灵敏，因此，在这个时间内，阴极三极管能够转出工作区，这样当阳极电压上升时，就不会有任何阴极电流了，也就是说，在关断时igct是一个基极开路的pnp三极管。在开通阶段，数百安培的门极电流强脉冲迅速有效地使阴极npn三极管在晶闸管开关动作之前进入饱和区，即使在非常高的di/dt的情况下，开通损耗也几乎可以忽略。

　　2.2 igct的建模及仿真

　　在本文中，建立igct模型［2］的目的是用来研究逆变器的动态行为特征，故采用了子电路模型对其进行仿真。又因igct的低电感（单元延迟可忽略），对igct采用了单2t-3r仿真电路［9］。图1给出了abb公司生产的型号为5shx04d4502的igct仿真电路，vdrm=4500v，itgqm=630a。

　　仿真结果如图2（a）所示，它与igct实测关断波形（如图2（b）所示）相比较，基本吻合，从而较好地完成了对igct的仿真。但仍然存在一些差异：仿真结果比较线性；未能更详细的给出阳极峰值电压之后的振荡过度过程。而用此模型去仿真逆变单元，将具有足够的精度。

2.3 基于igct的逆变单元

　　本文所仿真的高压变频器的参数是根据火电厂风机系统确定的，设电压为6kv，容量为2mva，每个功率单元中的逆变电路的原理接线如图3所示。与单一的整流—逆变功率单元电路图相比，添加上实际电路中的轭流电路及杂散电感。为了观察逆变器中igct动态行为特征，在逆变器的仿真中采用了详细模型，如图3所示，图中的s1~s4均采用图1所示单2t-3r仿真电路代替［7］，且反并联一快速二极管，从而构成逆导型igct的pspice模型，rsnubber、dclamp、lsnubber、cclamp分别是吸收电阻、箝位二极管、轭流电感和箝位电容，它们组成了逆变器的开通吸收回路，即轭流回路，ls为电路中的杂散电感。

　　由于对控制系统特性的仿真需要较长的时间，图4为简化的逆变器控制电路及调制信号，而本文中所关注的是逆变装置的特性，故在不失一般性的情况下可将控制环的行为用如图5（a）所示的固定的信号源代替。用表函数（etable，图中的e1、e2）对比较器进行建模，用于比较两个输入端的三角波载波信号和正弦波参考信号的大小（信号如图5（b）所示），并据此产生pwm控制信号，分别控制s1、s2（igct单元），用一压控电压源（e3、e4）控制端反接上述输出信号，其输出信号控制s3、s4（igct单元）。s1、s3的控制信号如图5（b）、5（c）所示，可以看出，二者是互补的。s2、s4的控制信号分别滞后s1、s3180°。

3 igct仿真与分析

　　在仿真过程中，图5（a）中的vr1正弦调制信号电压、vr2为三角载波信号电压，幅值分别取8和10，vc的幅值取10，即调制比m取0.8；vc的频率取值800hz，即载波频率为800hz。分别仿真了以下三种情况：

　　（1）理想情况下，不考虑线路的杂散电感，加载阻性负载rload=20ω。仿真波形如图6所示。

（2）考虑较大的杂散电感。图8

　　考虑杂感情况下的仿真波形，桥臂中的杂散电感对igct的关断产生过电压大小和形状影响很大。逆变器一桥臂仿真电路中杂散电感的示意图如图7所示。其中ls1为开通吸收电路中吸收电阻rsnubber支路的杂散电感，其数值跟吸收电阻的选型有密切关系，一般在100~500nh之间为换流回路的杂散电感，其数值跟主电路的机械结构设计有密切关系，一般在100~1000nh之间：ls3为开通吸收电路中电容支路的杂散电感，其数值跟吸收电容的选型有密切关系，一般100~500nh之间。在仿真过程中，分别取ls1=100nh，ls2=400nh，ls3=1000nh。同时加载感性负荷，rload=20ω，rload=10mh，其它参数同第一种情况一样，仿真波形如图8（a）和图8（b）所示。

　　（3）考虑一种故障情况，交流电源输入侧的中性点与交流输出侧lg滤波器中的电容接地接至同一接地网，当电容器的容量较大时，例如取9000μf，其它参数也同第一种情况，图8（c）为故障情况下的igct端部电压仿真波形，图8（d）为故障情况下的igct桥臂电流。

　　由仿真结果可以看出，对于情况（1）即理想情况的仿真，与理想的理论结果相比，波形中出现了毛刺，这是由于电路中含有轭流电感的缘故，符合实际情况。情况（2）最接近现场情况，其所采用参数描述了结构比较松散，电缆杂散电感比较大的情况，其仿真结果与实测结果基本吻合。当负荷比较大时，由仿真结果可知，igct的端电压在某些点上己经超过vdrm（4500v），igct可能击穿。在调试时，也测到了较大上升电压，仿真与实测相吻合。

　　情况（3）则是一种严重的故障状态，电流远大于itgqm=630a。同时，igct所承受的电压在某些点上已超过vdrm（4500v），igct必定会被击穿乃至烧毁。

4 结束语

　　通过仿真后试验结果的分析，可以得出以下结论：

　　（1）igct不安装关断吸收电路，是有条件限制的，要求线路结构紧凑，杂散电感较小。当主换流杂散电感较大时，必须加装关断吸收回路。

　　（2）通过pspice仿真，可以再现故障状态，并可以人为模拟故障状态，在电力电子产品的研发阶段，可找出有关的运行数据，为产品调试提供依据，同时还可以缩短研制周期，节约开发经费。