基于IGCT逆變技術的應用研究

[摘 要]針對IGCT是高壓大功率逆變技術的主要器件，提出了將IGCT等效為開關信號延時電路、開通暫態電路、關斷暫態電路和穩態電路四個電路，構建了IGCT的電路及模型，并分析了高壓變頻調速系統中常見的三電平主電路結構以及優缺點。

[關鍵詞]逆變技術;IGCT;特性分析;建模;變頻調速

[中圖分類號]TM464 [文獻標識碼]A

1 引言

根據有關統計，隨著工業生產和國民經濟的迅速增長，全國能源消費量平均年增長為5.2%，現有風機、泵類等通用機電設備年均耗電量約占工業總耗電量的50%。因此工業用電節能的重點就是減少或降低風機、泵類等常用設備的耗電量。變頻調速技術對于節能具有重要的意義。

節能的一項重要技術就是逆變技術的變頻調速，而高壓大功率逆變技術的主要器件就是IGCT。因此研究逆變技術在高壓變頻調速系統中的應用是非常必要的。

隨著電力電子技術及電力半導體器件在高電壓、大電流、高頻率、模塊化等方面水平的提高，電動機變頻調速裝置特別是高壓變頻調速裝置從本質上改變了異步電動機傳統的控制方式，其節能效果明顯、可靠性高、操作簡單、啟動電流小、功率因數高，調速特性優良、保護功能完善、容易實現自動調節控制等優越的特性被越來越多的用戶青睞。

因此，研究逆變技術在高壓變頻調速系統中的應用具有重大理論意義和實用價值。

2 IGCT特性分析

2.1 IGCT的結構

IGCT，即集成門極換流晶閘管，是集成門極驅動和門極換流晶閘管的總稱。而GCT則是基于平板型電力晶體管（GTO）的器件，如圖1所示。IGCT在其陰極串聯25只N溝道MOSFET管，在其門極串聯7只P溝道MOSFET管充當ZENER管的功能，其等效原理如圖2所示何意。

2.2 IGCT的動作原理

與GTO相比較，IGCT的導通機理相同，而關斷機理則大為不同。IGCT的工作主要取決于GCT的工作過程，因此IGCT的動作原理可以像GCT那樣，近似地用兩個晶體管的動作過程來描述，如圖3所示。

在開通時，正強電壓初期瞬時施加于門極，GCT呈現NPN晶體管狀態，此時，晶體管作用占優。導通之后，強烈的正反饋作用使兩個晶體管都達到飽和導通狀態。因此，可將GCT的導通狀態等效地看作類似晶閘管一樣的正反饋開關。可見，IGCT具有導通能力強、通態壓降低的突出優點。

IGCT的開關速度可比普通GTO快10倍。這是由于IGCT在關斷時采用了去“GTO區”技術，即在陰極NPN晶體管完全停止注入電荷之前，整個陽極電流由陰極迅速轉向門極。因此可以等效地認為GTO沒有中間區，即無緩沖關斷。

IGCT處于關斷狀態時，GCT門極、陰極PN結提前進行反向偏置，并有效地將電流截止，退出工作，整個器件呈晶體管方式工作。與GTO以晶閘管方式承受阻斷電壓相比較，極大地加快了關斷過程。IGCT的導通和關斷示意圖如圖4所示。

通過分析可知，IGCT的突出優點是：攜帶電流能力強、通態壓降低和開關速度快。因此，IGCT特別適合高壓大功率變頻裝置。

3 IGCT的建模

PSIM具有分析能力強、仿真速度快、可進行模數混合信號仿真等突出優點。構建基于PSIM的IGBT模型必須考慮四個過程：（1）門極信號延時;（2）開通/關斷穩態;（3）開通過程;（4）關斷過程。

基于PSIM的IGCT模型結構見圖5所示。IGCT模型主要由靜態模擬電路、延時時間模擬電路、開通暫態控制模擬電路以及關斷暫態控制模擬電路等四大模塊（電路）過程。

3.1 延時模擬電路

建立基于PSIM的IGCT仿真模型時，采用延時和邏輯電路，使仿真過程盡量實際開通關斷過程。延時時間模擬電路如圖6所示。在圖6中，門極驅動信號的輸入端口為G，輸出端口分別為Gon、Goff，其中Gon為靜態模擬電路和開通暫態模擬電路的輸入端口，而Goff為關斷暫態模擬電路的輸入端口。圖7是IGCT仿真模擬的控制信號延遲電路輸出波形圖。從圖7（a）中可看出，在器件開通過程中，延遲時間t1（t1約取2μs）之后，控制信號轉變成IGBT器件的門極信號。而在器件關斷過程中，驅動信號需要延時t2（t2約取5.5μs）。t1就是IGBT的開通延時時間tdon，而t2則是其關斷延時時間tdoff。

3.2 開通暫態控制模擬電路

IGCT的開通暫態控制模擬電路如圖8所示。當Gon為1時，IGCT的開通暫態控制模擬電路可等效為一個二階電路，由圖8可寫出電容C1上的電壓uC為變量的二階微分方程：

解此微分方程可得：

通過分析可知，IGCT的開通暫態過程，可以通過IGCT開通暫態控制模擬電路來模擬。

3.3 關斷暫態控制模擬電路

IGCT在關斷中，其陽極電流變化非常復雜。為了盡量接近真實關斷過程，采取分時間段的模擬方法，來構建關斷暫態控制模擬電路，即第一時間段模擬下降電流，第二時間段模擬拖尾電流。關斷暫態控制模擬電路如圖9所示。

3.4 靜態模擬電路

所謂IGBT的靜態，是指IGBT的徹底導通狀態或徹底關斷狀態。靜態導通時，IGCT管壓降很小，可認為近似為零;靜態關斷時，IGCT陽極電流很小，也可認為近似為零。這樣一來，就可采用理想開關、開關邏輯和受控電壓、電流源的組合，來模擬IGCT的開通和關斷暫態過程。

IGCT靜態模擬電路如圖10所示。圖10中，受控源VCVS、VCCS與電壓傳感器、電流傳感器和理想開關等，構成了IGCT的靜態模擬電路。門極信號Gon為高電平時，電壓源VCVS開始工作，其電壓由開通暫態模擬控制電路所控制，并由端口VP、VN輸入電壓;當門極信號為低電平時，電流源VCCS開始工作，其電流由開通暫態模擬控制電路所控制，并由端口IP、IN輸入電流。

4 IGCT逆變技術在高壓變頻調速系統中的應用

交流電動機的低壓變頻調速技術應用已經成熟。但在高壓變頻調速方面，受限于大功率器件的耐壓能力，高壓變頻器的主電路尚未形成廣泛認可的、成熟的、一致的拓撲結構。目前中高壓變頻調速系統主電路拓撲結構的主流是“交-直-交”變換結構。中性點鉗位三電平PWM高壓變頻器主電路結構如圖11所示。

逆變電路采用中性點鉗位（Neutral Point Clamped，NPC）三電平脈寬調制（Pulse Width Modulation，PWM）。主要特點：

（1）du/dt減小。與普通的兩電平結構相比，NPC三電平結構的輸出相電壓電平數由2個增加至3個，輸出線電壓電平數由3個增加到5個，每個電平幅值由整個直流母線電壓降低為原來的一半，開關頻率不變的條件下，輸出波形更接近正弦波。

（2）結構簡化。與單元串聯多重化電壓源結構相比較，元器件數量大為減少。在無需串聯以提高耐壓的情況下，逆變橋路開關器件總數為12個，每個開關器件僅承受半直流母線電壓。

（3）可靠性提高。因為元器件數量大為減少。

根據當前IGCT及高壓IGBT的耐壓水平，輸出電壓要求為6kV時，采用12個功率器件不能滿足要求，必須采用器件串聯，該系統采用靜態均壓和動態均壓方案很好地解決了IGCT串聯的問題。若將采用9kV耐壓等級的IGCT串聯將可進一步擴大輸出容量。

5 結論

本論文重點介紹IGCT逆變技術的高壓變頻調速系統中的應用。首先介紹了IGCT的特性，并對IGCT進行建模，構建了基于PSIM的IGCT電路級模型;分析了常見的三電平結構主電路，結果表明，與普通兩電平結構相比，逆變電路采用中性點鉗位三電平脈寬調制，輸出電壓波形更接近正弦波，主電路結構更為簡單，元器件數量也大為減少。

[參考文獻]

[1] 董立國，朱萬清，孫秋琦.變頻調速器與節約能源、環境保護[N].黑龍江環境通報，2004（04）.

[2] 林渭勛.現代電力電子技術[M].機械工業出版社，2006.

[收稿日期]2019-01-11

[作者簡介]楊會玲（1978—），女，本科，教師，主要從事電力電子技術及電力機車控制等研究。