1、2020/8/1,IGCT應(yīng)用講義 劉文華 清華大學(xué)電機(jī)系FACTS研究所 2006年9月,2020/8/1,主要內(nèi)容,1. IGCT在電壓源逆變器中的應(yīng)用 2. 門極單元的應(yīng)用 3. 外部重觸發(fā) 4. IGCT的串聯(lián)運(yùn)行 5. IGCT在50MVA STATCOM中的應(yīng)用 6. IGCT功能仿真模型及應(yīng)用 7. IGCT異常故障及關(guān)斷故障機(jī)理 (SPEC：Prof.Huang）,2020/8/1,1 IGCT在電壓源逆變器中的應(yīng)用設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,2020/8/1,典型電壓源逆變器,2020/8/1,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,反并聯(lián)二極管的關(guān)斷di/dt限制 最小開通時(shí)間和最小開通時(shí)間 最大器件電壓 箝位過沖電壓

2、下次開通前回0 箝位二極管電流 下次開通前回0 一般設(shè)計(jì)：tBD10-15us,2020/8/1,參數(shù)設(shè)計(jì),第一步：計(jì)算LI 第二步：計(jì)算CCL 第三步：計(jì)算RS,2020/8/1,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(yīng)設(shè)計(jì)使LCL小于參數(shù)文件中測(cè)試時(shí)的值，否則，安全工作區(qū)要打折,2020/8/1,RS的影響,RS越大，箝位二極管能越快截止； RS越大，VDM越大； 應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)。,（a）Rs=0.35,（b）Rs=0.65,（c）Rs=1.2,對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果,2020/8/1,LI2的影響,LI2越大，VDM越大，箝位二極管截止

3、時(shí)間越長(zhǎng)； 應(yīng)盡可能減小LI2,（a）LI2=0.6uH,（b）LI2=1.2uH,（c）LI2=2.0uH,對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果,2020/8/1,CCL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(shí)間越長(zhǎng)； 應(yīng)根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果確認(rèn)CCL,對(duì)5SHY35L4510的仿真結(jié)果,2020/8/1,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(guān)斷第一個(gè)尖峰； 耐壓等級(jí)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。,2020/8/1,2 門極單元的應(yīng)用門極驅(qū)動(dòng)

4、電源,直流供電：VDC= 交流供電： 方波幅值， 起動(dòng)限流：交流供電的IGCT內(nèi)部有限流和穩(wěn)壓電路；直流電源供電的IGCT內(nèi)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(qū)動(dòng)功率：與開關(guān)頻率、關(guān)斷電流及占空比有關(guān),關(guān)斷電流需要的功耗,空載需要的功耗,2020/8/1,門極驅(qū)動(dòng)電源,門極驅(qū)動(dòng)電源上電過程中要確保接受脈沖的光纖處于不發(fā)光狀態(tài)（對(duì)應(yīng)IGCT關(guān)斷狀態(tài)）。門極單元上電5秒后才能接收驅(qū)動(dòng)脈沖。 （最好先上控制電，再上驅(qū)動(dòng)電源）。 控制電源上電、下電過程中要確保先封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，否則光強(qiáng)的不足會(huì)導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生高頻脈沖，損壞門極驅(qū)動(dòng)。,2020/8/1,門極驅(qū)動(dòng)電源,

5、直流母線電壓必須在IGCT驅(qū)動(dòng)電源完全建立（上電5秒）之后建立；相反，IGCT驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路的特殊機(jī)理，會(huì)導(dǎo)致IGCT誤導(dǎo)通進(jìn)而導(dǎo)致橋臂直通，損壞IGCT。 控制電源上電、下電過程中要確保先封鎖驅(qū)動(dòng)脈沖，否則光強(qiáng)的不足會(huì)導(dǎo)致門極驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生高頻脈沖，損壞門極驅(qū)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)電源隔離絕緣電壓強(qiáng)度； 驅(qū)動(dòng)電源的高可靠性。,2020/8/1,光纖及信號(hào)接口,HFBR1521/2521；HFBR1528/2528。 需注意驅(qū)動(dòng)距離，防止驅(qū)動(dòng)不足。 開通和關(guān)斷信號(hào)延遲：3uS左右； 無門極返回信號(hào)IGCT的診斷：設(shè)計(jì)外加返回信號(hào)； IGCT自身需：,2

6、020/8/1,3. 重觸發(fā),在任何電壓源逆變器中，當(dāng)續(xù)流二極管導(dǎo)通時(shí)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(shí)將會(huì)發(fā)生：1）門極的損耗增加；2）門極電流只流過GCT的陽(yáng)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(diǎn)時(shí)，在GCT進(jìn)入栓?。↙atching）狀態(tài)前，陽(yáng)陰極電壓就開始上升（趨于關(guān)斷）。 在ABB的IGCT門極單元設(shè)計(jì)中加入了re-trigger設(shè)計(jì)：它1）檢測(cè)門陰極電壓極性VGK；2）當(dāng)處于VGK負(fù)極性時(shí)減小門極電流；3) 當(dāng)VGK重新變?yōu)檎驎r(shí)，自動(dòng)重新施加一個(gè)開通信號(hào)（Internal Re-Trigger）。這個(gè)內(nèi)部re-trigger設(shè)計(jì)可以處理電

7、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)(low anode current conduction , quiescent mode)時(shí)，有較大的di/dt的電流重復(fù)施加在IGCT上時(shí)，需要施加一個(gè)外部的重觸發(fā)信號(hào)(External Re-trigger)。 IGCT在導(dǎo)通大于LATCHING電流的電流時(shí)，可以承受大的di/dt，不需重觸發(fā)。,2020/8/1,外部重觸發(fā),A和C：電流上升前足夠大，不需重觸發(fā)，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(fā)； D：電流上升率小，內(nèi)部重觸發(fā)足夠。,2020/8/1,外部重觸發(fā)方法

8、,在導(dǎo)通的光纖驅(qū)動(dòng)信號(hào)中插入寬度為tretrig的低電平； tretrig見參數(shù)文件； tretrig太小會(huì)被忽略，太大會(huì)導(dǎo)致關(guān)斷；,2020/8/1,外部重觸發(fā)的時(shí)刻,應(yīng)該如上圖施加外部重觸發(fā)，使大的di/dt發(fā)生在B段； 一般大的di/dt由另一個(gè)IGCT的開通引起，可與之同步施加外部重觸發(fā)。,2020/8/1,需要外部重觸發(fā)的實(shí)例,開始時(shí)電流沿實(shí)線流，V4和V3導(dǎo)通，V2截止； 接著V4關(guān)斷，死區(qū)時(shí)間后V2開通，電流開始沿虛線走； V2開通時(shí)V3和V4的反并聯(lián)二極管都流過反向恢復(fù)電流，如果V4D反恢復(fù)電流大于V3D的，則V3需承擔(dān)部分正向電流，此電流di/dt大，V3需外部重觸發(fā)，否則V

9、3上會(huì)產(chǎn)生1-2uS/高達(dá)2kV的脈沖電壓。 有RC吸收電路時(shí)，更需只需分析需要外部重觸發(fā)的情況。,2020/8/1,4. IGCT的串聯(lián)運(yùn)行,由于硬驅(qū)動(dòng)特性，IGCT存儲(chǔ)時(shí)間小到1us左右，只需小的吸收電路即可實(shí)現(xiàn)串聯(lián)運(yùn)行。,2020/8/1,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(qū)動(dòng)脈沖的時(shí)延； 開通脈沖有小的時(shí)延時(shí)，由于陽(yáng)極電抗對(duì)電流的限制，開通過程承受的電壓差不會(huì)太大。 圖中，S1開通脈沖超前S2的時(shí)間是300ns。,2020/8/1,關(guān)斷過程,關(guān)斷過程的均壓效果受多個(gè)因數(shù)影響。,2020/8/1,設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,1. 每個(gè)器件每個(gè)時(shí)刻承受的動(dòng)態(tài)電壓都必須小于VDRM、

10、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(guān)，關(guān)斷后所有點(diǎn)電壓盡可能均分； 需設(shè)計(jì)冗余IGCT，否則損壞的IGCT短路后會(huì)導(dǎo)致其他串聯(lián)IGCT損壞； 增大吸收參數(shù)總能達(dá)到更好的均壓效果，需綜合考慮效率、成本和均壓效果。,2020/8/1,箝位電路參數(shù)的折算,箝位電路參數(shù)可按下式折算（n為串聯(lián)IGCT個(gè)數(shù)）,2020/8/1,影響關(guān)斷均壓的因素,IGCT器件自身參數(shù)的影響 1）關(guān)斷延時(shí)的差別； 2）由于關(guān)斷延時(shí)與VT有關(guān)，因此，VT的差別也影響關(guān)斷均壓。,2020/8/1,影響關(guān)斷均壓的因素,關(guān)斷延時(shí)差別越大時(shí)，均壓誤差隨關(guān)斷電流的變化而更明顯變

11、化。 IDRM：斷態(tài)漏電流的差別會(huì)影響關(guān)斷后的均壓效果，需設(shè)置靜態(tài)均壓電壓，該電阻必須按IDRM大小來選擇。同時(shí)需考慮反并聯(lián)二極管的漏電流。,2020/8/1,影響關(guān)斷均壓的因素,控制脈沖信號(hào)延時(shí)的影響,吸收電容的影響,結(jié)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(guān)斷后振蕩效果差，也會(huì)增加IGCT的開通損耗。,2020/8/1,5. IGCT在50MVA STATCOM中的應(yīng)用50M STATCOM構(gòu)成,2020/8/1,基于IGCT的50M 鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐?50M STATCOM是國(guó)際上首臺(tái)采用IGCT器件的MVA級(jí)鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置,2020/8/1

12、,50M 鏈?zhǔn)絊TATCOM實(shí)物,2020/8/1,基頻優(yōu)化PWM控制策略,通過控制各LINK的開關(guān)角度，控制基波輸出電壓，并在同時(shí)尋求一個(gè)最優(yōu)的諧波優(yōu)化目標(biāo)。 優(yōu)化函數(shù)如下： 約束條件： 其中,實(shí)測(cè)相電壓,輸出相電壓,各單相橋輸出電壓,優(yōu)化條件少，對(duì)直流電壓紋波峰值限制及電壓平衡控制不利,2020/8/1,150Hz 優(yōu)化PWM控制策略,使輸出電壓的基波幅值為控制目標(biāo)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(duì)直流電壓峰值進(jìn)行限制； 使逆變器總輸出電壓中的低次諧波性能達(dá)到最優(yōu)。 優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為 : 約束條件為 :,各單相橋輸出電壓,輸出相電壓,實(shí)測(cè)相電壓,2020/8/1,直流電壓

13、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(fù)雜，不利于裝置的可靠性。,2020/8/1,基于脈沖循環(huán)換位及PWM制動(dòng)的直流電壓平衡控制方法,結(jié)合放電開關(guān)的PWM控制,脈沖循環(huán)換位示意圖,簡(jiǎn)單，成本低，隔離變壓器容量?。?.5kVA）,輸出超前15kvar滯后15kvar,輸出滯后15kvar超前15kvar,2020/8/1,全數(shù)字化高速高精度控制系統(tǒng),系統(tǒng)故障及突增負(fù)荷時(shí)，動(dòng)態(tài)地提供電壓支撐，減少低壓釋放負(fù)荷數(shù)量，防止發(fā)生暫態(tài)電壓崩潰 結(jié)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(wěn)定,4組電容

14、器綜合投切控制,操作界面,DSP控制板 反饋線性化動(dòng)態(tài)無功控制/電壓平衡控制,FPGA脈沖發(fā)生板 多目標(biāo)150Hz 優(yōu)化PWM控制/冗余控制,FPGA脈沖分配板編碼/解碼/高速異步通信,2020/8/1,分層分布式監(jiān)控系統(tǒng)的主界面,2020/8/1,試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與試驗(yàn),制訂的標(biāo)準(zhǔn)： 鏈?zhǔn)絊TATCOM閥的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn) 1）閥端對(duì)地間的電介質(zhì)試驗(yàn) 2）閥端間電介質(zhì)試驗(yàn) 3）運(yùn)行試驗(yàn)和例行試驗(yàn) 4）閥的電磁干擾（EMI） 鏈 式 STATCOM 裝 置現(xiàn) 場(chǎng) 試 驗(yàn) 規(guī) 范 成套鏈?zhǔn)絊TATCOM裝置企業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 50Mvar STATCOM裝置按以上標(biāo)準(zhǔn)通過了全部試驗(yàn)內(nèi)容,2020/8/1,鏈節(jié)等價(jià)運(yùn)行與保

15、護(hù)試驗(yàn),試驗(yàn)?zāi)康?對(duì)鏈節(jié)進(jìn)行額定負(fù)載工況試驗(yàn)，以便檢驗(yàn)鏈節(jié)在額定工況下運(yùn)行時(shí)電源、控制、保護(hù)、冷卻、電磁兼容等方面的設(shè)計(jì)是否達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求,一個(gè)鏈節(jié)發(fā)無功，一個(gè)鏈節(jié)吸無功，外接直流電源只需提供被試對(duì)象的損耗,2020/8/1,額定工況試驗(yàn)結(jié)果（50Hz開關(guān)頻率）,a) 容性鏈節(jié)輸出電壓電流 b) 感性鏈節(jié)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(guān)頻率時(shí)額定工況運(yùn)行試驗(yàn)總功耗為43.2kW，測(cè)算連接電抗功耗為18 kW,單個(gè)鏈節(jié)損耗12.6kW，30個(gè)鏈節(jié)總損耗為378kW,2020/8/1,額定工況試驗(yàn)結(jié)果（150H

16、z開關(guān)頻率）,a) 容性鏈節(jié)輸出電壓電流b) 感性鏈節(jié)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(guān)頻率時(shí)額定工況運(yùn)行試驗(yàn)總功耗為51.8kW，測(cè)算連接電抗功耗為19 kW,單個(gè)鏈節(jié)損耗16.4kW，30個(gè)鏈節(jié)總損耗為492KW,2020/8/1,等價(jià)過電流試驗(yàn),等價(jià)過電流試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證鏈節(jié)主要（一次）設(shè)備是否能夠耐受由過電流引起結(jié)溫升高后的電壓應(yīng)力和檢驗(yàn)過電流保護(hù)裝置在最大關(guān)斷電流出現(xiàn)時(shí)關(guān)斷IGCT的能力,通過同時(shí)觸發(fā)鏈節(jié)中的對(duì)角開關(guān)管SLA1和SRB或SRA和SLB，使直流電容電壓加在試驗(yàn)電抗器L上，引起L上電流線性上

17、升。當(dāng)保護(hù)電路檢測(cè)到L上電流達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)，封鎖全部開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖。試驗(yàn)前IGCT外殼加熱到額定運(yùn)行溫度。,2020/8/1,等價(jià)過電流試驗(yàn)結(jié)果,過電流波形（3000A峰值關(guān)斷）,關(guān)斷2500V/3000A時(shí)過電壓波形,2020/8/1,絕緣試驗(yàn)考核指標(biāo)及要求的試驗(yàn)結(jié)果,2020/8/1,6. IGCT功能仿真模型及應(yīng)用,1. 功能模型的物理依據(jù) 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(jí)下U(t)或I(t)的來源,a.開通時(shí)

18、，器件的電壓形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，且有一定的規(guī)律 b. 關(guān)斷時(shí)，器件的電流形狀相對(duì)簡(jiǎn)單，且有一定的規(guī)律,2020/8/1,IGCT工作原理及開關(guān)特性,5SHY 35L4510 IGCT主要參數(shù),2020/8/1,二極管工作原理及開關(guān)特性,反向阻斷電壓和正向通態(tài)電壓 開通：正向恢復(fù)過程 呈現(xiàn)“電感效應(yīng)”，而不立即響應(yīng)正向電流的變化 關(guān)斷：反向恢復(fù)過程 加反壓到截止，清除過剩少數(shù)載流子，表現(xiàn)為電流反向流動(dòng)；達(dá)最大值后，二極管恢復(fù)阻斷能力,2020/8/1,二極管工作原理及開關(guān)特性,5SDF 16L4503 二極管主要參數(shù),2020/8/1,建模環(huán)境和方法,采用PSCAD仿真平臺(tái)； 與C語言內(nèi)部接口，可編程

19、，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)； 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(guī)律降為導(dǎo)通電壓；而電流I由負(fù)載電流決定。 關(guān)斷過程，僅能控制電流I，由關(guān)斷前瞬間的負(fù)載電流按照一定規(guī)律降為關(guān)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(guān)斷過程中，對(duì)電流的控制,下降電流,拖尾電流,分別用兩個(gè)正弦曲線的一段來模擬,2020/8/1,IGCT的C語言功能模型,2020/8/1,IGCT的C語言功能模型測(cè)試電路,2020/8/1,仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果,開通波形,開通損耗,關(guān)斷波形,關(guān)斷損耗,2020/8/1,功率二極管C語言功能模型,2020/8/1,功率二極管模型仿真結(jié)果,2020/

20、8/1,T/D模型,內(nèi)部結(jié)構(gòu),受控電壓源的切斷靠Breaker-G 受控電流源的切斷是將其置零,2020/8/1,T/D模型,顯著優(yōu)點(diǎn) 橋臂中點(diǎn)引出，器件兩端可以并聯(lián)RC吸收電路 仿真結(jié)果,450uH,900uH,2020/8/1,等價(jià)額定運(yùn)行試驗(yàn)仿真結(jié)果,容性工況,感性工況,2020/8/1,等價(jià)過電流保護(hù)試驗(yàn)仿真結(jié)果,IGCT電壓,直流電容電流,2020/8/1,7. IGCT異常故障及關(guān)斷故障機(jī)理（SPEC ：Prof. Huang）,IGCT故障原因： 開通di/dt限制不夠； 過電壓（靜態(tài)和動(dòng)態(tài)）； 過溫； TON、TOFF、TBD時(shí)間太短； 門極驅(qū)動(dòng)電源及控制電源的上、下電； 門極驅(qū)動(dòng)電源故障； 關(guān)斷過電流； 反并聯(lián)二極管損壞引起IGCT損壞； 異常故障及關(guān)斷故障,2020/8/1,Sn的故障,開始時(shí)，ILOAD大于0，SP處于關(guān)斷狀態(tài) Sn關(guān)斷后，經(jīng)過死區(qū)時(shí)間SP開通。,S,P,S,n,D,P,D,n,V,BUS,I,Load,2020/8/1,IGCT等效模型,G-A極等效為一個(gè)二極管 Dpa,Ig,陽(yáng)極,陰極,寄生二極管 Dpa,2020/8/1,反向電流流過 IGCT,Sn導(dǎo)通,Sn 導(dǎo)通時(shí)有反向電流沿