IGCT应用讲义-刘文华

IGCT应用讲义

刘文华

清华大学电机系FACTS研究所

2006年9月11/6/2023主要内容

1.IGCT在电压源逆变器中的应用

2.门极单元的应用

3.外部重触发

4.IGCT的串联运行

5.IGCT在50MVASTATCOM中的应用

6.IGCT功能仿真模型及应用

7.IGCT异常故障及关断故障机理

(SPEC：Prof.Huang）

11/6/20231IGCT在电压源逆变器中的应用－设计准则

11/6/2023典型电压源逆变器11/6/2023设计准则反并联二极管的关断di/dt限制最小开通时间和最小开通时间最大器件电压箝位过冲电压下次开通前回0箝位二极管电流下次开通前回0

一般设计：tBD＝10-15us11/6/2023参数设计第一步：计算LI第二步：计算CCL第三步：计算RS11/6/2023杂散LCL电感的影响LCL越大，第1过电压尖峰值越大，EOFF越大。应设计使LCL小于参数文件中测试时的值，否则，安全工作区要打折11/6/2023RS的影响RS越大，箝位二极管能越快截止；RS越大，VDM越大；应根据实际试验结果确认。（a）Rs=0.35Ω

（b）Rs=0.65Ω

（c）Rs=1.2Ω

对5SHY35L4510的仿真结果

11/6/2023LI2的影响LI2越大，VDM越大，箝位二极管截止时间越长；应尽可能减小LI2

（a）LI2=0.6uH

（b）LI2=1.2uH

（c）LI2=2.0uH

对5SHY35L4510的仿真结果

11/6/2023CCL的影响

（a）CCL=6uF

（b）CCL=15uF

（c）CCL=24uF

CCL越大，VDM越小，箝位二极管截止时间越长；应根据实际试验结果确认CCL

对5SHY35L4510的仿真结果

11/6/2023箝位二极管的影响箝位二极管开通正向电压VFR随开通di/dt增大而增大，影响IGCT关断第一个尖峰；耐压等级越高的二极管VFR越大；尽量减小箝位二极管支路的杂散电感。11/6/20232门极单元的应用－门极驱动电源直流供电：VDC=交流供电：方波幅值，起动限流：交流供电的IGCT内部有限流和稳压电路；直流电源供电的IGCT内部没有供电电源限流电路，必须由直流电源完成其输出限流。IGCT消耗驱动功率：与开关频率、关断电流及占空比有关关断电流需要的功耗空载需要的功耗11/6/2023门极驱动电源门极驱动电源上电过程中要确保接受脉冲的光纤处于不发光状态（对应IGCT关断状态）。门极单元上电5秒后才能接收驱动脉冲。（最好先上控制电，再上驱动电源）。控制电源上电、下电过程中要确保先封锁驱动脉冲，否则光强的不足会导致门极驱动单元产生高频脉冲，损坏门极驱动。11/6/2023门极驱动电源直流母线电压必须在IGCT驱动电源完全建立（上电5秒）之后建立；相反，IGCT驱动电源必须在链节直流电容完全放电之后关闭，否则，由于IGCT驱动电路的特殊机理，会导致IGCT误导通进而导致桥臂直通，损坏IGCT。控制电源上电、下电过程中要确保先封锁驱动脉冲，否则光强的不足会导致门极驱动单元产生高频脉冲，损坏门极驱动。驱动电源隔离绝缘电压强度；驱动电源的高可靠性。11/6/2023光纤及信号接口HFBR1521/2521；HFBR1528/2528。需注意驱动距离，防止驱动不足。开通和关断信号延迟：3uS左右；无门极返回信号IGCT的诊断：设计外加返回信号；IGCT自身需：11/6/20233.重触发在任何电压源逆变器中，当续流二极管导通时都可能引起门阴极负偏压。在处于门阴极负偏压情况下时将会发生：1）门极的损耗增加；2）门极电流只流过GCT的阳极，而不流过其阴极；3）当电流由负电流（续流情况）向正方向过零点时，在GCT进入栓住（Latching）状态前，阳阴极电压就开始上升（趋于关断）。在ABB的IGCT门极单元设计中加入了re-trigger设计：它1）检测门阴极电压极性VGK；2）当处于VGK负极性时减小门极电流；3)当VGK

重新变为正向时，自动重新施加一个开通信号（InternalRe-Trigger）。这个内部re-trigger设计可以处理电流变化率小于50A/us的情况，如果IGCT处于续流状态或低电流导通状态(lowanodecurrentconduction,quiescentmode)时，有较大的di/dt的电流重复施加在IGCT上时，需要施加一个外部的重触发信号(ExternalRe-trigger)。IGCT在导通大于LATCHING电流的电流时，可以承受大的di/dt，不需重触发。11/6/2023外部重触发A和C：电流上升前足够大，不需重触发，可以承受大的di/dt；B：电流上升率过大，之前电流太小，在t1处需要外部重触发；D：电流上升率小，内部重触发足够。11/6/2023外部重触发方法在导通的光纤驱动信号中插入宽度为tretrig的低电平；tretrig见参数文件；tretrig太小会被忽略，太大会导致关断；11/6/2023外部重触发的时刻应该如上图施加外部重触发，使大的di/dt发生在B段；一般大的di/dt由另一个IGCT的开通引起，可与之同步施加外部重触发。11/6/2023需要外部重触发的实例开始时电流沿实线流，V4和V3导通，V2截止；接着V4关断，死区时间后V2开通，电流开始沿虚线走；V2开通时V3和V4的反并联二极管都流过反向恢复电流，如果V4D反恢复电流大于V3D的，则V3需承担部分正向电流，此电流di/dt大，V3需外部重触发，否则V3上会产生1-2uS/高达2kV的脉冲电压。有RC吸收电路时，更需只需分析需要外部重触发的情况。11/6/20234.IGCT的串联运行由于硬驱动特性，IGCT存储时间小到1us左右，只需小的吸收电路即可实现串联运行。11/6/2023开通过程采用RC或RCD吸收后，开通过程器件的均压只需考虑驱动脉冲的时延；开通脉冲有小的时延时，由于阳极电抗对电流的限制，开通过程承受的电压差不会太大。图中，S1开通脉冲超前S2的时间是300ns。11/6/2023关断过程关断过程的均压效果受多个因数影响。11/6/2023设计准则1.每个器件每个时刻承受的动态电压都必须小于VDRM、直流电压都必须小于VDC；由于宇宙射线的影响，IGCT寿命与其承受的VDRM和VDC密切相关，关断后所有点电压尽可能均分；需设计冗余IGCT，否则损坏的IGCT短路后会导致其他串联IGCT损坏；增大吸收参数总能达到更好的均压效果，需综合考虑效率、成本和均压效果。11/6/2023箝位电路参数的折算箝位电路参数可按下式折算（n为串联IGCT个数）11/6/2023影响关断均压的因素IGCT器件自身参数的影响

1）关断延时的差别；

2）由于关断延时与VT有关，因此，VT的差别也影响关断均压。11/6/2023影响关断均压的因素关断延时差别越大时，均压误差随关断电流的变化而更明显变化。IDRM：断态漏电流的差别会影响关断后的均压效果，需设置静态均压电压，该电阻必须按IDRM大小来选择。同时需考虑反并联二极管的漏电流。11/6/2023影响关断均压的因素控制脉冲信号延时的影响吸收电容的影响结温差别的影响吸收电阻的影响 吸收电阻太大，均压效果差； 吸收电阻太小，阻尼关断后振荡效果差，也会增加IGCT的开通损耗。11/6/20235.IGCT在50MVASTATCOM中的应用－50MSTATCOM构成11/6/2023基于IGCT的50M链式逆变器主电路50MSTATCOM是国际上首台采用IGCT器件的MVA级链式STATCOM装置11/6/202350M链式STATCOM实物11/6/2023基频优化PWM控制策略

通过控制各LINK的开关角度，控制基波输出电压，并在同时寻求一个最优的谐波优化目标。优化函数如下： 约束条件：其中

实测相电压输出相电压各单相桥输出电压优化条件少，对直流电压纹波峰值限制及电压平衡控制不利11/6/2023150Hz优化PWM控制策略使输出电压的基波幅值为控制目标值，并且使各单相桥输出的基波电压幅值相位完全相同，且对直流电压峰值进行限制；使逆变器总输出电压中的低次谐波性能达到最优。优化目标函数为:

约束条件为:

各单相桥输出电压输出相电压实测相电压11/6/2023直流电压平衡控制：基于交流母线能量交换的直流电压平衡控制

交换功率小（小于5kW），IGBT器件要求耐压高/电流小，选择困难，控制复杂，不利于装置的可靠性。11/6/2023基于脉冲循环换位及PWM制动的直流电压平衡控制方法结合放电开关的PWM控制脉冲循环换位示意图简单，成本低，隔离变压器容量小（1.5kVA）输出超前15kvar－滞后15kvar输出滞后15kvar－超前15kvar11/6/2023全数字化高速高精度控制系统系统故障及突增负荷时，动态地提供电压支撑，减少低压释放负荷数量，防止发生暂态电压崩溃结合35KV母线4组电容器的综合投切控制，保证35KV母线电压的稳定4组电容器综合投切控制操作界面DSP控制板反馈线性化动态无功控制/电压平衡控制FPGA脉冲发生板多目标150Hz优化PWM控制/冗余控制FPGA脉冲分配板编码/解码/高速异步通信11/6/2023分层分布式监控系统的主界面

11/6/2023试验标准与试验制订的标准：链式STATCOM阀的试验标准

1）阀端对地间的电介质试验

2）阀端间电介质试验

3）运行试验和例行试验

4）阀的电磁干扰（EMI）链式STATCOM装置现场试验规范成套链式STATCOM装置企业标准

±50MvarSTATCOM装置按以上标准通过了全部试验内容11/6/2023链节等价运行与保护试验试验目的 对链节进行额定负载工况试验，以便检验链节在额定工况下运行时电源、控制、保护、冷却、电磁兼容等方面的设计是否达到了技术标准的要求一个链节发无功，一个链节吸无功，外接直流电源只需提供被试对象的损耗11/6/2023额定工况试验结果（50Hz开关频率）

a)容性链节输出电压电流

b)感性链节输出电压电流

（直流电压2400V/输出电流1700A）（直流电压1600V/输出电流1700A）50Hz开关频率时额定工况运行试验总功耗为43.2kW，测算连接电抗功耗为18kW,单个链节损耗12.6kW，30个链节总损耗为378kW11/6/2023额定工况试验结果（150Hz开关频率）

a)容性链节输出电压电流 b)感性链节输出电压电流（直流电压2350V/输出电流1700A）（直流电压1400V/输出电流1700A）

150Hz开关频率时额定工况运行试验总功耗为51.8kW，测算连接电抗功耗为19kW,单个链节损耗16.4kW，30个链节总损耗为492KW11/6/2023等价过电流试验等价过电流试验的目的是验证链节主要（一次）设备是否能够耐受由过电流引起结温升高后的电压应力和检验过电流保护装置在最大关断电流出现时关断IGCT的能力通过同时触发链节中的对角开关管SLA1和SRB或SRA和SLB，使直流电容电压加在试验电抗器L上，引起L上电流线性上升。当保护电路检测到L上电流达到保护整定值时，封锁全部开关管的驱动脉冲。试验前IGCT外壳加热到额定运行温度。11/6/2023等价过电流试验结果过电流波形（3000A峰值关断）关断2500V/3000A时过电压波形

11/6/2023绝缘试验考核指标及要求的试验结果试验项目试验值要求与考核指标阀端对地工频交流耐压试验和局部放电的测量试验电压42kV，持续1分钟；18.5kV，持续10分钟，记录最后1分钟局部放电水平。试验时应没有闪络现象，局部放电水平峰值应不大于50pC。雷电冲击试验电压波形为1.2/50μs，峰值为±75kV，正负极性各施加3次。试验时应没有击穿和闪络现象。阀端间工频交流耐压试验试验电压23.3kV，持续1分钟。试验时应没有闪络现象，链节保护应不动作，试验结束后无元件损坏。链节端间局部放电测量试验电压2.6kV，持续1分钟；2.1kV，持续10分钟，记录最后1分钟局部放电水平。试验时应没有闪络现象，局部放电水平峰值应不大于50pC。操作冲击试验电压波形为250/2500μs，峰值为±33kV，正负极性各施加3次。试验时应没有闪络现象，无保护性触发动作或误触发现象，试验结束后无元件损坏。11/6/20236.IGCT功能仿真模型及应用1.

功能模型的物理依据

置换定理：在线性或非线性电路中，若某一支路的电压或电流为U和I，用Us=U的电压源或Is=I的电流源来置换该支路，如果置换后的电路有唯一解，则置换前后电路中全部支路电压和支路电流的量保持不变。2.

不同等级下U(t)或I(t)的来源a.开通时，器件的电压形状相对简单，且有一定的规律b.关断时，器件的电流形状相对简单，且有一定的规律11/6/2023IGCT工作原理及开关特性参数名称参数符号最大值断态重复峰值电压(V)VDRM4500断态重复峰值电流(mA)IDRM50直流环节电压(V)VDClink2800最大可控关断电流(A)ITGQM4000通态压降(V)VT2.7门槛电压(V)VT01.4开通延时(us)tdon3.5上升时间（us）tr1关断延时(us)tdoff7关断损耗能量(J)Eoff225SHY35L4510IGCT主要参数11/6/2023二极管工作原理及开关特性反向阻断电压和正向通态电压开通：正向恢复过程呈现“电感效应”，而不立即响应正向电流的变化关断：反向恢复过程加反压到截止，清除过剩少数载流子，表现为电流反向流动；达最大值后，二极管恢复阻断能力11/6/2023二极管工作原理及开关特性参数名称参数符号最大值断态重复峰值电压(V)VRRM4500断态重复峰值电流(mA)IRRM150通态压降(V)VF4.51正向恢复电压峰值（V）Vfr80正向恢复时间(us)tfr6电流变化率峰值（A/us）di/dt600反向恢复电流峰值（A）Irr1200反向恢复电荷峰值（uC）Qrr3900关断能量损耗(J)Err9.0

5SDF16L4503二极管主要参数11/6/2023建模环境和方法采用PSCAD仿真平台；与C语言内部接口，可编程，系统设计的仿真平台；开通过程，仅能控制电压V，由开通前瞬间器件承受的阻断电压按照一定规律降为导通电压；而电流I由负载电流决定。关断过程，仅能控制电流I，由关断前瞬间的负载电流按照一定规律降为关断后的泄漏电流；而电压V由外部电路、吸收回路决定。比如：关断过程中，对电流的控制下降电流拖尾电流分别用两个正弦曲线的一段来模拟11/6/2023IGCT的C语言功能模型参数名称数值tdon3.5tdoff6Vces0.0027Iblock0.00005Vt01.4e-3rt0.325e-3dt50Ton50Toff150Toff2100Toff350Toff200k0.411/6/2023IGCT的C语言功能模型——测试电路11/6/2023仿真与实验结果仿真结果技术手册IGCT开通损耗1.87J1.5J二极管关断损耗7.10J<9.0J开通波形开通损耗关断波形关断损耗11/6/2023功率二极管C语言功能模型11/6/2023功率二极管模型仿真结果11/6/2023T/D模型内部结构受控电压源的切断靠Breaker-G受控电流源的切断是将其置零11/6/2023T/D模型

显著优点桥臂中点引出，器件两端可以并联RC吸收电路仿真结果450uH900uH11/6/2023等价额定运行试验仿真结果容性工况感性工况11/6/2023等价过电流保护试验仿真结果IGCT电压直流电容电流11/6/20237.IGCT异常故障及关断故障机理（SPEC：Prof.Huang） IGCT故障原因：开通di/dt限制不够；过电压（静态和动态）；过温；TON、TOFF、TBD时间太短；门极驱动电源及控制电源的上、下电；门极驱动电源故障；关断过电流；反并联二极管损坏引起IGCT损坏；异常故障及关断故障11/6/2023Sn的故障

开始时，ILOAD大于0，SP处于关断状态Sn关断后，经过死区时间SP开通。

SPSnDPDnVBUSILoad11/6/2023