（高电压与绝缘技术专业论文）串补用火花间隙测试电流源的研制.pdf

中国电力科学研究院硕士学位论文 摘要 根据火花间隙触发控制系统在生产、安装、调试过程中对电流源型供电电源 的迫切需求，并参照串补装置用电流互感器( c d 二次侧输出电流的一般范围，确 立了研制较大功率的工频交流电流源型供电电源的课题。尽管课题确立的初衷只 是为串补用火花间隙的触发控制系统在离线条件下进行功能测试提供一种接近 实际运行状态的技术手段，但是这种电流源装置适合于所有以电流互感器取能的 电气设备的离线测试，因此本课题具有普遍意义。 论文中首先对p w m 控制技术的相关理论知识做了简单回顾并对目前i g b t 的发展情况做了简要介绍，然后确定了使用v s c ( 电压源逆变器) 电路将直流 电逆变为交流电，并使用滞回比较控制方法对回路中的电流进行调制，使输出的 电流在一定条件下与负载无关。随后针对文中的设计思想在p s p i c e 环境下对电 路进行了仿真，最终确定了基本的硬件电路，并通过在实验室的多次试验和调试 研制出一台样机，该样机已在徐州“三堡”串补站火花间隙触发控制系统的安装 调试过程中得到了应用，发挥了作用，其性能基本达到了最初的设计要求。 滞回控制环节与i g b t 的驱动环节是本文中的核心部分，它们的工作状况将 直接影响到本装置以何种效率追踪标准波形。就此本文中提出了两种具体的滞回 控制的硬件电路，并对它们的工作状况与优缺点进行了分析对比，最终确定了其 中一种作为最终采用的滞回控制电路。同时，对于i g b t 的驱动环节，本文除了 利用已有芯片实现了对i g b t 的过流、退饱和以及驱动电路欠压等保护设置之外， 还就i g b t 逆变桥的桥臂直通问题设计了专门的延时电路，确保了i g b t 逆变桥 的正常工作。 另外，文中还专门就本装置的带阻感负载的能力进行了数学分析，总结出了 一套求取最大负载的方法，并通过仿真计算对本方法的正确性进行了验证。 关键词：电流源i g b tv s c ( 电压源换流器)滞回控制p w m 电感设计 方法c t 取能 中国电力科学研究院硕士学位论文 a b s t r a e t t a k i n gt h eg e n e r a ll d n g eo ft h es e c o n d a r y0 1 i 肇i 吐c u l r e n to fc tf o rs c ( s e r i e s c o m p e n s a t i o n ) e q u i p m e n t sa sa r e f e r e n c e t h er e s e a r c hs u b j e c to fd e v e l o p i n gak i n d o fa ce t t r r e 口t ts o i i i c e ：、耐t hh i 曲e rp o w e ri ss e td o w na si ti su r g e n t l yr e q u i r e di nt h e m a n u f a c t u r i n g ，i n s t a l l i n g , a n dd e b u g g i n go ft h ec o n t r o ls y s t e mo ft r i g g e r e ds p a r k c a p a l t h o u g h t h ei n i t i a lp u r p o s eo ft h et a s ki st oo f f e rat e c h n i c a ls o l u t i o nf o r t h e t e s t i n go fe o n l r o ls y s t e mo ft r i g g e r e ds p a r kg a p i no f f - l i n ec o n d i t i o n ss i m i l a rt ot h e o n ei no p c r d l j o no n - l i n e , t h er e s 既哪：h i n go ft h i st a s ki so fb r o a d l ys i g n i f i c a n c e , b e c a u s et h i sd e 、r i c e ：c mb eu s e di na l lt h eo f f - l i n et e s t i n go f t h ee l e c l r i e a le q u i p m e n t s p o w e r e db yc t t h i sd i s s e r t a t i o nf i r s t l yl l l a k c sar e v i e wo ft h ep w m 6 u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) e o n l z o lt e c h n i q u e a n dag e n e r a li n t r o d u c t i o no ft h ee v o l u t i o no fi g b ti nt h er e c e n t y e a r s t h e ni t c o n 丘r 】1 1 3 st h em e t h o do fi n v e r t i n gd cc u r r e n t t oa cc u r r e n tw i t h v s c ( v o l t a g es o u r c ec o r t v e r t e r ) , a n dm o d u l a t i n gi nh y s t e r e s i sc t m e n t c o n t r o l t e e l a n i q u e ，s ot h a tt h eo u t p u tc u r r e n ti si n d e p e n d e n to f t h el o a di n 鲫黜e x t e n t a f t e r t h a t , t h ec i r c u i td e s i g n e di ss i m u l a t e di nt h ep s p i e ee n v i r o n m e n t , a n df t t m l l yg e tt h e e l e m e n t a r yc i r c u i t t e s t e da n dd e b u g g e di nt h el a b o r a t o r yf o rm a n yt i m e s ，t h es a m p l e d e v i c ef i n a l l yw o r k ss u c c e s s f u l l y , t h ep e r f o r m a 眦o f w h i e l ac a t e l 弓t oa n t i c i p a t i o n , b y b e i n ga p p l i e de f f e c t i v e l yi nt h ep o d e 器o fi 丑s t 删a n dd e b u g g i n go ft h ec o n t r o l s y s t e mo ft r i g g e r e ds p a r kg a pi nt h e s a n b a o s e r i e sc o m p e n s a t i o ns t a t i o ni n x u z h o u ，j i a n g s up r o v i n c e h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o la n dd r i v eo fi g b t 戤k e ys e c l j o i i i so ft h es t u d y , a n d t h e i rp e r f o r m a n c e sw i l ld i r e c t l yd e c i d et h ee f f i c i e n c yo ft l - a e i n gt h es t a n d a r d w a v e f o r m a sf o rt h 我t h eb e t t e rh y s t e r e s i sc u r r e n te o n l a - o lc i r c u i ti si d e n t i f i e da t t e r 位c o m p a r i s o no f t w oa l t e r n a t i v e s r e g a r d i n gt h ed r i v eo f i g b t , t h es t u d yd e s i g n s a p a r t i c u l a rd e l a yc i r c u i tf o rt h ei g b ti n v e r t e rb r i d g e ，a sw e l la sm a l a n gap r o t e c t i o n f r o mt h eo v e r e u t r e n t , d e s a m r a t i o na n du n d e r v o l t a g ew i t he x i s t i n gc h i p s i na d d i t i o n , t h i ss t u d ym a k e sam a t h e m a t i ca n a l y s i so nt h ea b i l i t yo fc a r r y i n g r - ll o a d so f t h ed e v i c e , a n dc o n c l u d e sam e t h o do f c a l c i l l a 虹n gm a x i m u ml o a d , w h i e l a i sv a l i d a t e db ys i m u l a t i n g k e yw o r d s ：c u r r e n ts o u r c e ；i g b t ；v s c ( v o l t a g es o u r c ec o n v e r t e r ) ； h y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o l ；p w m ；d e s i g no f i n d u c t o r ；, c b 中国电力科学研究院硕士学位论文绪论 1 1 选题背景 第一章绪论 i i 1f a c t s 与串补的概念与发展背景 柔性交流输电系统( f l e x i b l e a ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称 f a c t s ) 是装有电力电子型或其他静止型控制器以加强电力系统可控性和增 加功率传输能力的交流输电系统。f a c t s 技术是利用现代大功率电力电子技 术对传统交流电力系统的一项重大改革，已成为当今发达国家电力界研发的 热点。 我国电力系统发展迅速，目前年发电量已位居世界第二。据估计，世界 上未来1 0 年的新建电站总容量的1 4 在中国。实施什么技术能够对节约材 料、节省能源和减少污染起作用，也是必须从长远考虑的3 个全局问题。f a c t s 技术正是解决这三大世界性问题在输电领域的重要措施。 串联补偿( f i x e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ，简称s c 或f s c ) 和可控串联补 偿( t h y r i s t o r c o n t r o l l e ds e r i e s c o m p e n s a t i o n 简称t c s c ) 是f a c t s 技术的重要组成部分，是指在一个交流输电系统中应用阻抗补偿方法，实现 对线路串联阻抗的控制。 尽管t c s c 可以实现对线路阻抗的连续控制，但是由于大功率晶闸管价 格昂贵，使得t c s c 的应用比例远小于f s c 。瑞典国内从北到南共有8 条4 0 0 k v 线路均安装了s c ，其中只有一条线路装备有t c s c ，而且仅占该串补站很小 一部分，约2 0 。巴西的南北联络线上共设4 个串补站，其中联络线中间的 两个串补站全部是f s c ，两端的两个串补站中仅配备了一小部分t c s c 。我国 目前正在运行中的6 套国外进口串补工程中，只有平果串补站的一部分是 t c s c ，且仅占该串补工程的1 2 5 。由此可见，尽管t c s c 有其不可替代的优 点，但是由于其价格昂贵，在应用上仍然受到了很大限制，而具有大补偿度 的固定式串补( f s c ) 则仍然是提高线路送电能力的主要手段。 1 1 2 串联补偿( f s c 和t c s c ) 的概念和基本原理 在输电线路上串接电容器组可以有效地补偿线路感抗，减小功率输送中 中国电力科学研究院硕士学位论文 引起的电压降和功角差，提高线路输送稳定极限水平，从而提高输送容量， 这种技术措施被称之为串联补偿( s e r i e sc o m p e n s a t i o n ，s c ) ，简称串补。 对于新建的长距离交流输电线路，采用串补技术还可以在不降低输送容量的 条件下，减少线路建设的回数，节省投资。由于这种串补的容抗值是一个固 定数值，所以又称之为固定式串补( f i x e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ，f s c ) 。在 串补电容器组( 也可能是电容器组的一部分) 上并联相控电抗器后就形成 了可控串补( t c s c ) 。t c s c 的主要目的是可连续调节补偿度，控制潮流，提高 系统稳定性，阻尼功率振荡和次同步振荡。 串补( 含可控串补) 装置的一次主回路中主要由图1 ，1 所示的部件组成： 一纠 1 i o i 子 一 i 陋 图1 1t c s o 装置主要元件构成 1 电容器组c2 金属氧化物限压器n o v3 昌闸管阀s o r4 火花间隙g p 5 ，旁路开关b p - q 1 , 1 3 串补在国内外的发展现状 世界上较早投入运行的t c s c 工程主要有：美国a e p 电网东南部的 k a n a w h ar i v e r 站的t s s c ( 晶闸管投切串联补偿电容器组) 装置：美国西部 电网k a y e n t a 站a s c ( a d v a n c e ds e r i e sc o m p e n s a t i o n ) 装置；美国b p a 的 s l a t t 站的t c s c 装置；瑞典s u n d s v a l l 的s t o d e 站的t c s c 装置；西门子公 司在美国承建的t p s c ( 晶闸管保护的串联补偿装置) 等。 目前国际上串补装置的供货商主要有a b b 、西门子、g e 等三家公司，随 中国电力科学研究院硕士学位论文绪论 着我国丰一万一顺串补工程的投运，诺基亚( n o k i a n ) 也加入到了串补成套设备 供货商的行列。 近几年来，我国电网发展速度较快，先后上马了多套串联补偿设备。 我国在研制串补可控串补装置领域方面尚处于起步阶段。由国内自主 研发的第一套可控串补装置，甘肃碧一成2 2 0 k v 可控串补，已于2 0 0 5 年4 月 份正式通过验收并投入运行。该套串补装置由中国电力科学研究院的四个研 究所联合攻关，经过近十年的研发，终于取得了成功，使中国电科院成为世 界上第四家能够提供可控串补装置的厂家( 注：诺基亚仅提供f s c ) 。碧一成交 流输电线路可控串补项目的投运成功标志着我国成为继瑞典、德国和美国之 后第四个完全掌握可控串补技术并拥有完全自主知识产权的国家。 i i 4 串补装置中一次设备简介以及火花间隙触发电路的特 点 正如1 1 2 中所述，f s c 中的一次设备主要包括电容器组、阻尼电抗器、 金属氧化物限压器、火花间隙、旁路断路器以及测量和取能用的各种电流互 感器，在f s c 中并联s c r 就组成了t c s c 。在中国电科院研制的碧一成可控串 补成套装置中，电容器组、金属氧化物限压器和火花间隙以及各种电流互感 器被安装在电容器组平台上，晶闸管阀单独安装在阀平台上，因担心相控电 抗器产生的强磁场可能会对晶闸管阀以及电容器平台上的弱电设备有影响， 相控电抗器单独安装在两个平台之间的支架上。 目前，在已有工程中，串补平台上的电子电路( 如间隙触发控制电路、 平台电量测量电路) 的电能供应可以通过两种方式得到：一种是激光送能； 另一种是线路电流取能。 激光送能的工作原理是在地面将电能以激光束的形式通过光纤柱传送 到串补平台上，并在平台上设置光电转换装置，将激光束所携带的光能转化 为电能。激光送能的优点在于其供能量与线路负荷无关，亦不受线路故障瞬 态过程的影响。但由于激光头的价格昂贵且寿命较短，放设备的后期维护比 较繁琐，一旦激光头出现故障，平台的二次部分将失去电能，无法正常工作， 这对于设各的安全运行是很大的隐患。正因为激光送能传送的功率小、激光 头寿命短且价格昂贵，因此需要寻求更好的替代方案。 线路电流取能是指在线路上装设电流互感器( c t ) ，通过电磁感应实现 能量的传递和电位的隔离。该取能方式的最大优势在于性能稳定，c t 安装到 中国电力科学研究院硕士学位论文 线路上，是免维护的，由于其是铁心线圈加外绝缘结构，所以寿命要比激光 头长的多，一般的户外浇注的电流互感器寿命可达2 0 年以上。但是由于互 感器二次侧电流输出与线路电流成比例，所以要保证二次侧送能功率达到触 发控制电路和测量电路对能量的需求，要求线路电流不能低于某一下限值。 该下限值在碧一成线串补中为l o o h ，在三堡串补中为3 0 0 a 。当线路轻载甚至 停电时，c t 将无法按要求送出电能。 由此可见，单一的激光送能和线路送能都存在缺陷，为了克服它们的缺 点并利用各自的优点，电科院研制的串补装置中首次采用了激光送能与线路 取能相结合的模式，线路正常运行中采用线路送能，而当线路停电检修的时 候则采用激光送能，为平台电量测量提供电源，保证了平台测量量能够时刻 准确地传送到主控室。这样既保证了对平台上的电量测量电子的不间断供 电，又有效地延长了激光头的使用寿命。 串补用火花间隙在固定式串补中是不可或缺的重要保护设备。它既涉及 了强电( 高电压、大电流以及电弧) ，又涉及了弱电( 触发控制电路、电子电 路) ，系国际上各串补成套设各供货商的看家设备( 其中西门子一直购买诺基 亚的间隙与他们的串补装置配套) ，只与由自己集成的串补成套装置配套， 不单独对外销售。 由中国电力科学研究院高压所( 即北京伏安电气公司) 研制的串联补偿 用火花间隙于2 0 0 4 年通过了各项型式试验，并在2 2 0 k v 碧一成可控串补中挂 网运行，到目前为止，运行稳定。最新研制的用于5 0 0 k v 三堡串补的火花间 隙也已经安装完毕，预计将于今年6 月份进行系统调试，挂网运行。虽然针 对不同的项目，电压等级和短路容量的不同，对间隙主结构要求的不同，但 是间隙的触发控制电路和电源电路原理均相同。本论文仅以碧一成线为例介 绍与本研究课题相关的触发电路和电源电路的部分特点如下：【l 串补用火花间隙是强制触发的，在接到触发命令时( 并且在点火后间隙 电压足以导致间隙放电时) 必须进行触发放电，没有接到命令时( 或者间隙电 压不足以在点火后放电时) 不允许点火。为了做到间隙的可靠、可控点火放 电，为间隙研制了一套电子测量、控制电路。间隙的点火是由储能电容器对 间隙电极壳表面放电实现的，因此在储能电容器放电前，其本身需要进行储 能。用于该电容器储能的设备是一台串联在线路中的c t ，它相当于一个受线 路电流控制的交流电流源，其输出电流从几十毫安到几十安之间变化。在如 此大的c t 电流变化范围内，这套电子电路都能保证储能电容器的充电电压 基本恒定在4 0 0 v 左右，既不使储能电容器过充，又保证了储能电容器放电 时的强火花。该电路的原理框图见图1 2 。 中国电力科学研究院硕士学位论文 绪论 另外，这套电子电路需要一套电源为其可靠工作提供电能。间隙触发控 制电路的电源本身也是由一台电流互感器供电的。电源本身也有储能电容 器，在对电源的储能电容器充电时，电流互感器输出电压可高达约2 0 0 7 。电 源电路的工作原理框图参见图1 3 。 为间隙触发控 制电路供电的c t 是 双绕组c t ，其中一 个绕组为点火储能 电容器的充电提供 电源，另一个绕组为 触发控制电路的电 源电路提供电源。 1 1 5 研究课题 的提出 图1 2 触发控制电路原理框图 t r v 4 v 5 v 6 点火茂咀 直犬同豫2 图1 3 电源电路原理框图 由上述间隙触发控制电路的特点以及电源电路的特点可知，这两个电路 都是以电流源的方式向电路提供电能的，因此在控制电路的生产和现场试验 中，也必需用适当的“电流源“向这两个电子电路供电。虽说在市场上出售 的仪器中也有所谓的“电流源”输出，但是其输出电压都很低，电压稍高一 些，“电流源”输出的基本特性就被破坏了，无法使用。目前使用的升流器 输出实际上也是电压源输出，不具备电流源的特性。为了在间隙触发控制( 以 及电源) 电路的生产、改进、现场试验、线路板考机等过程中能使用与c t 输 中国电力科学研究院硕士学位论文 绪论 出特性基本一致的“电流源”，迫切需要进行大中功率电流源的研制。 1 2 本课题研究的主要内容与意义 本课题所要研究的内容是，针对串联补偿用火花间隙触发控制系统的特 点研制出一种电流源装置，用于触发控制系统的各种试验，其主要功能是输 出一个其波形近似工频正弦波的电流。对该电流源的要求大致有：1 ) 该电流 源要能够在几十毫安到两安培的范围内连续调节；2 ) 当输出电压在0 - 4 2 0 v 之间持续突然变化时，其电流输出波形不能发生明显变化。另外对外观的要 求为，尽可能缩小装置的体积和重量以便于携带和运输，并且具有直观易控 的人机面板。 今年3 月以前，间隙控制箱中的电路板在进行调试和试验时，仍然需要 大小几台变压器和调压器以及线性电感组合在一起来模拟取能c t 这个“电 流源”。这对到现场进行维护测试来说，无疑将严重影响工作效率。要将百 公斤重的试验设备在串补平台问搬上搬下，更是件很让人头疼的事情，且不 说频繁搬运过程中人员与设备的安全性以及接线的正确性很难保证。此外， 用这种组合方式得到的电流波形与现场运行中的取能c t 电流输出特性仍存 在很大差距。 如果我们能设计出这样一种电流源可以为间隙的控制部分提供测试电 源，那么对控制电路的测试效率可以大幅度提高，同时，该电流源也可以作 为串联补偿用间隙的配套产品提供给客户，在日后的维护中，也将提供很大 的方便。根据国家电网公司的规划，近两年国内将陆续建设几个串补工程， 如：万州串补，徐州串补，伊冯串补等，都将使用国产设备。为了方便间隙 触发控制系统的测试和维护，使供电电源的输出与实际c t 输出一致，使串 补在停电状态下的间隙触发控制电路工作与串补带电状态下一致，进行工频 电流源的研制以及整个试验装置的研制是十分必要的。因为这种电流源与串 补火花间隙触发控制系统的生产、试验、性能改进等密切相关，市场急需类 似产品的出现，因此这种电流源的研制具有重要的现实意义。 另外，除了串补工程外，凡是以c t 取能作为电源的控制设备在试验中 都将面临测试电源如何取得电能的问题，设计一种可以模拟c t 取能的电流 源，将会在未来的市场上占得先机。如果需要，未来的电流源设计可以考虑 用单片机来控制产生电流的大小、波形等，当然这还需要很大一部分数字电 路的支持。 中国电力科学研究院硕士学位论文 绪论 1 3 本课最的难点以及本论文所傲的主要工作 该电流源是用来为间隙控制触发部分和电源部分提供电能的，从上述间 隙控制触发部分以及电源部分的工作原理可以看出，该负载只有两种工作状 态，要么处于短路状态，要么处于对储能电容充电的状态。在正常情况下， 允许储能电容器的电压在3 9 0 v 至4 2 0 v 之间浮动。当判断电路攀断出电容电 压低于3 9 0 v 时，驱动旁路电子开关打开，来自取能c 判断出电容电压低于 3 9 0 v 时，驱动旁路电子开关打开，来自取能c t 的电流经整流桥全波整流后 对储能电容器充电，同时比较器同相输入端的比较信号提高一个a u ，当电 容电压升高到4 2 0 v 时，比较器翻转，驱动旁路电子开关导通，将充电回路 短路，充电过程停止。与此同时，通过反馈回路使比较器同向输入端的比较 信号再降低一个厶u 。充电停止后，触发回路中的储能电容器通过约l m q 的 泄放电阻缓慢放电，直到电压低于3 9 0 v 时再次充电。整个放电过程持续约 1 2 0 m s ，而充电过程一般则在l m s 以内即可完成。 由此可见，该电流源的负载是冲击性可变负载。当在进行调试试验时尤 其明显，电容充放电时间无规律可循，且充电时间极短。所以显然应用目前 使用较广的固定频率的脉宽调制控制方法是不合适的，因为这种方法无法对 动作频率高于载波频率的负载变化做出响应。嘲 本论文中所做的主要工作就是在针对冲击性负载下如何追踪电流波形 进行了深入研究，并对中等功率电路瞬时滞回控制方法进行了大胆尝试，选 用了很多目前市场上主流快速功率器件进行试验对比，在此过程中经历了5 次制板调试，最终定型。 本装置采用了滞回比较方式，以容差的方式对输出电流波形进行实时追 踪，当实测电流比标准电流容差下限小的时候，通过控制电子开关，在负载 上施加正向电压，以增加电流值，当实测电流超过标准电流容差上限的时候， 施加反向电压，达到减小电流的目的。其中难点在于如何控制测量容差，并 缩小容差带，使之既具有快速的响应能力，又能具有理想的抗干扰能力。同 时对功率器件的驱动也进行了研究，在如何降低功率器件的功耗方面进行了 探索。 中国电力科学研究院硬士学位论文 相关理论知识 第二章相关理论知识 2 1i g b t 的发展历史与现状 随着电力电子技术进一步向高频大功率用电领域发展，电子器件也一直 是沿着提高频率和提高功率这两方面努力向前发展的，曾用作电力开关的半 导体器件有：晶闸管( t h y r i s t o r ) ，场控晶闸管( f c t ) ，门极可关断晶闸管 ( g t o ) ，双极型晶体管( b j t ) ，结型场效应管( j f e t ) ，功率双极型晶体管 ( g t r ) 和功率m o s f e t 等。其中g t r 和功率m o s f e t 是较新的功率半导体开 关器件，但是它们仍然不能兼顾高频率和高功率。g t r 容易做到一定程度上 的高电压大电流化，但难以做到高速化；功率m o s f e t 容易做到高速化，但 由于其高耐压与低导通电阻之间的矛盾难以做到大电流化。绝缘栅双极型晶 体管i g b t 一方面保留了功率m o s 高速化的特点，另一方面又引入了一个双 极型晶体管注入载流子来调制电导，解决了m o s 管的高耐压与低导通电阻之 间的矛盾，是一种高频率、高功率器件。 i g b t 是八十年代初出现的一种新型半导体功率器件，其电压控制输入特 性伴随低阻通态输出特性可以在众多领域替代g t r 和功率m o s f e t 等器件。 另外i g b t 还具有m o s f e t 的高输入阻抗，电压驱动，无二次击穿，安全工作 区宽等优点，成为功率器件中强有力的竞争者。目前i g b t 在国际上从军用 如导弹、航天、卫星等到民用如轻型直流输电、有源滤波、汽车电子、电机 驱动、焊机、u p s 电源和通讯电源、家用电器等领域的应用已经较为广泛， 器件制造及其应用技术也较为成熟。目前国际上一些半导体公司相继开发了 第四代、第五代的i g b t ，其特征主要表现在通态电压低、关断时间短、低损 耗、高频率、无闭锁等。 由于i g b t 具有易驱动、通态压降低、开关速度高等特性而倍受人们的 青睐，美国、日本等工业发达国家对其开发和研制都相当重视。美国的国际 整流器( i r ) 、德国的西门子( s i e m e n s ) 、日本的东芝( t o s h i b a ) 、日立 ( h i t a c h i ) 、三菱( m i t s u b i s h i ) 、富士( f u j i ) 等大公司都致力于开发和 生产i g b t ，使i g b t 迅速向大功率化、高频化、模块化发展。i g b t 在九十年 代末的发展方向是提高其电压额定值，研究具有较高频率和较低损耗的i g b t 以及开发具有集成保护功能的智能i g b t 。 最近，国际上相继发表了一些有关i g b t 的导通电压和关断特性等综合 中国电力科学研究院硬士学位论文 相关理论知识 性能得到大幅度提高的文章。日立采用全自动对准技术使阴极部分的n + 区实 现细微化，导通电压减少了，闭锁电流由以前的3 0 0 a c m 2 改善至 ，一 1 1 0 0 a c m 2 。三菱电机引入阳极一发射极断路的方法，使n 一漂移区内储存的 电子由阳极短路部分排除到外部，缩短了关断时问，使在不考虑寿命控制因 素的情况下，关断时间由1 2 脚缩短到0 1 9 p s 。东芝把功率i c 中的双栅横 型i g b t 制作到介质隔离的p + 岛上，使原来单栅结构下的下降时间由2 p s 缩 短到0 2 p s ，该器件已可实现4 0 k h z 的高速工作，电流密度为4 0 。8 0 a c m 2 。 目前在研制i g b t 、提高其性能方面，国内外普遍采用的方法是：穿通型( p t ) 结构，g t 0 的阳极短路结构和槽式门极结构。在提高其开关速度方面，除改 善其结构外，还采用了电子辐照技术。目前国外开发出了第四代、第五代 i g b t ，其研制水平达到了1 2 0 0 a 、4 5 0 0 v 。“町汹1 由于i g b t 是含有湘s 结构的双极型器件，集m o s 和g t r 的优点与一身， 使之具有以下的优越性：无热奔和热不稳定性二次击穿，安全工作区宽；在 很低的温度下仍有较高的跨导，可以工作在液氮，甚至液氮的温度以下；输 入阻抗高，使输入电路功耗小，便于级间直接耦合；制造工艺相对比较简单； 使用电压控制，控制电路较为简便，费用节省；开关速度高，开关时间短， 减少开关过程的功率损耗，有利于提高效率。 由于i g b t 本身所具有的优越性，使它在众多领域中得到了广泛的应用嘲： 开关电源：由于i g b t 具有开关速度快，开关时间短等优点，所以在开 关电源中采用i g b t 做开关管，能减小功耗，提高效率，降低成本，缩小体 积，减轻重量，做出物美价廉的产品。 逆变器：由于i g b t 是电压控制型器件，所需的驱动电流与驱动功率很 小，因此用它做逆变器时，可直接与模拟或数字功能块相接，无需附加接口 电路，而且转换效率也大大提高。 汽车自动电子点火器：传统的汽车发动机点火器是用机械触点一俗称 “白金”构成的。这种机械触点式点火器在使用中触点经常会产生不规则损 耗，导致间隙距离不准确以及触点接触电阻增大，点火强度不易保证，点火 正时不易控制，故发动机不易长期处在最佳工作状态。过去往往需要经常修 理和调整“自金”间隙、甚至更换“白金”才能临时解决这一问题。采用i g b t 电子点火器后，“白金”间隙被i g b t 电子开关所替代，附属电路构造简单， 中国电力科学研究院硬士学位论文 榴关理论知识 无触点，开断电流稳定，点火强度和正时稳定可靠，点火器免维护，能保证 发动机长期工作于最佳状态，既能节省油耗，又提高了发动机的出力。 激光电源：i g b t 应用于激光电源中，使大功率固体脉冲激光器在工业加 工如焊接、打孔、切割等领域应用时可以工作在很恶劣的工作条件下：上万 伏高压触发、工作时大电流冲击可达几百安培，电路有时工作在完全短路状 态、有时工作在完全开路状态，因此对电源要求十分苛刻。用i g b t 做逆变 器件的开关电源，可使之正常工作而不发生故障。 轻型高压直流输电( h v d c l i g h t ) 和轻型s v c ：由于i g b t 是一种金属氧 化物半导体器件，所以对其进行控制之需要很小的功率( 指与由缓冲电路提 供的控制换相晶闸管需要的功率相比较而言) ，这使得串联连接成为可能， 甚至当开关频率达到千赫范围内时，也有很好的电压分布。采用由i g b t 组 成的换流器( 桥) 的电压源换流器( v s c ) 代替传统的由晶闸管和g t o 组成 的换流器( 桥) 就形成了轻型高压直流输电( h v d c - l i g h t ) 和轻型s v c 。 h v d c l i g h t 的优点在于：v s c 既可以送出有功( 整流) ，也可以吸收有功( 逆 变) ；既可以发出无功也可以吸收无功；可以从直流电源向交流无源负荷供 电；v s c 对短路功率没影响等。可以说是i g b t 的不断发展使轻型高压直流输 电成为可能，这种小功率v s c h v d c 输电系统的应用范围很广并且在经济上 是最有前途的，它是一个能够替代当地发电或常规交流输电的非常有意义的 选择方案。1 叮6 i g b t 还可应用在各种控制电路和交流伺服系统中，与g t r 相比，它具有 高效、低噪音等优点。 现代i g b t 的一个显著特点就是它们在安全工作区( s o a ) 的极限情况下 是可以使用的，典型的开断周期是l o u s 。通过文献 2 1 2 4 的研究，通过 i g b t 在高频方式下运行来达到主动缓冲、短路保护以及串联运行的优势应经 显现出来。i g b t 等复合器件的问世，是分立功率半导体器件的一次革命性的 变革。由于其突出的优越性，不仅在现有的功率电予应用中可以充分发挥作 用，而且将能扩展功率电子应用领域，给功率电子技术注入新的动力。 2 2 理想工频电流源 理想电流源的定义：不管外部电路如何，其输出电流总能保持定值或一 定的时间函数的电源，其端电压由外部电路决定。电流源满载时，负载电阻 最大，负载电压最高；轻载时，负载电阻最小，负载电压最低。 中国电力科学研究院硕士学位论文相关理论知识 理想电流源的特点是给定了该支路电流( 或者为常数，或者为时间t 的 函数) ，其支路电流不受它的端电压的影响，不管理想电流源的端电压为何 值，该支路电流始终为给定的常数或给定的时间函数，它的端电压与其支路 电流没有直接的关系，而只与外部负载有关系。从理论上讲，理想电流源可 以供给无穷大能量，也可以吸收无穷大能量。 理想工频电流源则是指，不管外部电路如何，其输出电流总能够保持时 间的正弦函数，其端电压由外部电路决定，且频率为5 0 h z ( 或6 0 h z ) 的电源。 该函数可由下式表示： i ( o = x 2 1 s a ( c a t ) = x 2 i s i n ( 3 1 4 0 其中频率取5 0 h z ，i 为工频 电流源电流有效值，单位为安培 ( a ) ，其输出的标准电流波形图 参见图2 1 。 2 3p 删控制技术嘲 ( 2 1 ) p w m( p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的 宽度进行调制的技术。即通过一 系列脉冲的宽度进行调制，来等 图2 1 工频电流源标准输出电流波形 效地获得所需要的波形( 含形状 和幅值) 。 p 删控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，对逆变电路的影响也最为 深刻。现在中小功率的逆变电路中，绝大部分都是p 张型逆变电路。 面积等效原理是p 删控制技术的重要理论基础。即：冲量相等而形状不 同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的 面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。 p 删控制技术在逆变电路中的应用十分广泛，目前中小功率的逆变电路 几乎多采用了p 删技术。逆变电路是p 删控制技术最为重要的应用场合。下 面主要介绍一下p 删逆变电路的控制方法： 中国电力科学研究院颈士学位论文 相关理论知识 2 3 1 计算法 如果给出了逆变电路的正弦波输出频率、幅值和半个周期内的脉冲数， p 删波形中各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结果控制逆 变电路中各开关器件的通断，就可以得到所需要的p 删波形。这种方法称之 为计算法。计算法很繁琐，当需要输出的正弦波的频率、幅值或相位变化时， 结果都要变化。 2 3 2 调制法 与计算法相对应的是调制法，即把希望输出的波形作为调制信号，把接 受调制的信号作为载波，通过信号波的调制得到所期望的p 删的波形。通常 采用等腰三角波或锯齿波作为载波，其中等腰三角波应用最多。因为等腰三 角波上任一点的水平宽度和高度成线性关系且左右对称，当它与任何一个平 缓变化的调制信号波相交时对电路中开关器件的通断进行控制，就可以得到 宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p 删控制的要求。 2 3 3 跟踪控制法 跟踪控制法是生成p 删波形的第三种方法，这种方法不是用信号波对载 波进行调制，而是把希望输出的电流或电压波形作为指令信号，把实际电流 或电压波形作为反馈信号，遥过两者的瞬时值比较来决定逆变电路各功率开 关器件的通断，使实际的输出跟踪指令信号变化。 跟踪控制法中常用的有滞环比较方式和三角波比较方式。 2 3 3 1 滞环比较方式 跟踪型p 蹦变流电路中，电流跟踪控制应用最多。图2 2 中给出了采用滞环 比较方式的p g g 电流跟踪控制单相半桥式逆变电路原理图及其输出电流波形。如 图中所示，把指令电流和实际输出电流的偏差作为带有滞环特性的比较器的输 入，通过其输出来控制功率器件v l 和的通断。设i 的正方向如图所示。当i 为正时，、导通，则i 增大；v d ，续流导通，则i 减小。当i 为负时，v 导通， 则i 的绝对值增大，v d ，续流导通时，则i 的绝对值减小。上述规律可概括为： 中国电力科学研究院硬士学位论文相关理论知识 当( 或v d 。) 导通时，i 增大，当v 2 ( 或v d ：) 导通时，i 减小。这样，通过 环宽为2 a i 的滞环比较器的控制。i 就在i + i 和i 一i 的范围内，呈锯齿状她 跟踪指令电流i 。滞环环宽对跟踪性能有较大的影响。环宽过宽时，开关动作频 率低，但跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高， 甚至会超过开关器件的允许频率范围，开关损耗随之增大。和负载串联的电抗器 l 可起到限制电流变化率的作用。l 过大时，i 的变化率过小，对指令电流的跟 踪变慢；l 太小时，i 的变化率过大，r i 频繁地达到i ，开关动作频率过高。 八 一 ；，八 t 图2 2 采用滞回比较方式的p 啊电流跟踪控制单相半桥式逆变电路原理图及其输出波形 2 3 3 2 三角波比较方式 图2 3 是采用三角波比较方式的电流跟踪型p 删逆变电路原理图。和前 面所介绍的调制法不同的是，这里并不是把指令信号和三角波直接进行比较 而产生p 删波形，而是通过闭环来进行控制的。从图中可以看出，把指令电 流r 和逆变电路实际输 出的电流i 进行比较，求 出偏差电流，通过放大器 a 放大后，再去和三角波 进行比较，产生p 删波 形。放大器a 通常具有比 例积分特性和比例特性， 其系数直接影响着逆变 电路的电流跟踪特性。 围2 3 三角波比较方式电流跟踪型逆变电路 在这种三角波比较 控制方式中，功率开关器件的开关频率是一定的，即等于载波频率，这给高 频滤波器的设计带来了方便。和滞环比较控制方式相比，这种控制方式输出 中国电力科学研究院硕士学位论文相关理论知识 电流所含的谐波少，因此常用于对谐波和噪声要求严格的场合。 中国电力科学研究院硬士学位论文p s p i 环境下的仿真 第三章该电路在p s p i c e 环境下的仿真分析 在本课题研究初期，对该电流源种种控制方法及其硬件电路进行了 p s p i c e 仿真，以验证设计方案是否可行，并确定了最终方案。下面就将仿真 建立的模型，以及仿真的结果进行介绍，同时与装置实际工作过程中的负载 电流波形进行对比，进一步验证原理的可行性。 众所周知，电路通用分析程序p s p i c e 是e d a 中的重要组成部分，它的 主要任务是对模拟电子电路进行模拟和仿真。近2 0 年来，用于模拟电路的 c a d 系统软件层出不穷，但是，大多数近2 0 年来，用于模拟电路的c a d 系统 软件层出不穷，但是，大多数都是以美国加里福尼亚大学伯克利( b e r k e l e y ) 分校开发的s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a mw i t hi n t e g r a t e dc i r c u i te m p h a s i s ) 程序为基础。1 9 8 4 年，美国m i c r o s i m 公司推出基于s p i c e 的微机版本p s p i c e ( p e r s o n a 卜s p i c e ) ，使s p i c e 软件不仅用于大型机，而且也可以用于i b mp c 机及其兼容机上。此后各种版本的p s p i c e 不断闯世。本文中应用p s p i c e9 1 对整个硬件电路进行了仿真。建立的仿真模型如图所示。 3 1 阻性负载下的仿真分析 阻性负载下的仿真模型如图3 1 所示。 模型中的全部器件均来自于p s p i c e 自带的元器件参数库，从而保证了 仿真计算的准确性。模型中选取电感为4 6 0 m h ，负载选取1 0 q ，滞回环节采 用第四章介绍的第二种电路方案进行控制。模型中滞回区间的上边界v _ 和 下边界v i 一的生成电路在模型中简化为两个带直流偏置的正弦电压源来实现 ( 如图3 1 所示) ，幅值8 v ，频率为5 0 h z ，分别加入i d ) 3 v 的直流量。相比 于图4 1 7 中由加法器和减法器来实现交流信号的偏置，由带直流偏置的正 弦电压源提供滞回边界，可以减少仿真的计算量，同时提高仿真结果的精度。 触发器采用p s p i c e 自带