張新民 李明勇 代科

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢 430064)

0 引言

由瑞士ABB公司研發(fā)的大功率IGCT器件，以其低感的門極驅(qū)動(dòng)電路，優(yōu)化的可控硅技術(shù)，高度集成化，應(yīng)用簡(jiǎn)易化等優(yōu)點(diǎn)，成為中壓傳動(dòng)領(lǐng)域，機(jī)車牽引，工業(yè)，輸配電行業(yè)的半導(dǎo)體器件的可靠選擇[1]。近年來(lái)，圍繞著 IGCT功率器件的建模，成為IGCT應(yīng)用中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。然而，在當(dāng)前的仿真工具，如MATLAB，Pspice，Saber等軟件中，都沒(méi)有現(xiàn)成的IGCT功率器件模型，給IGCT功率器件的應(yīng)用帶來(lái)諸多不便。

從已有的文獻(xiàn)來(lái)看，IGCT建模的方法有：基于載流子運(yùn)動(dòng)的物理模型，電荷控制模型，電學(xué)模型，以及功能模型。物理模型[2,3]，以載流子的運(yùn)動(dòng)過(guò)程建模，最貼近功率器件的實(shí)際開(kāi)關(guān)過(guò)程，仿真精度高，但參數(shù)過(guò)多，不易獲取。電荷控制模型[4]以雙晶體管作為 IGCT等效模型，過(guò)程繁雜。功能模型[5]以符合實(shí)際器件開(kāi)通關(guān)斷波形特點(diǎn)為前提，建模過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，且具備一定的仿真精度，特別適合于實(shí)際工程應(yīng)用。在當(dāng)前仿真環(huán)境中，Saber仿真軟件與Pspice及MATLAB相比，在電力電子暫態(tài)仿真中，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文采用 Saber仿真軟件，建立 IGCT的功能模型，并應(yīng)用于仿真電路中，以期達(dá)到實(shí)際工程應(yīng)用的目的。

1 IGCT開(kāi)通關(guān)斷暫態(tài)分析

IGCT開(kāi)通關(guān)斷的一般波形可從IGCT器件的datasheet參數(shù)表獲得。

從圖 1可以看出，IGCT開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)程都是在開(kāi)通關(guān)斷信號(hào)發(fā)出后經(jīng)過(guò)一定的開(kāi)通關(guān)斷延時(shí)開(kāi)始的，對(duì)IGCT而言，開(kāi)通關(guān)斷延時(shí)時(shí)間約為幾個(gè)微秒。開(kāi)通時(shí)，IGCT電壓近似直線下降，電流線性上升，經(jīng)過(guò)一個(gè)波峰后，下降到通態(tài)電流水平。電流峰值由與之相連的IGCT反并聯(lián)二極管反向恢復(fù)電流引起。關(guān)斷時(shí)，電流的下降分為兩個(gè)過(guò)程，tf時(shí)段內(nèi)電流下降階段及拖尾電流階段，兩階段電流近似線性下降；關(guān)斷過(guò)程中電壓出現(xiàn)兩個(gè)波峰，VDSP與功率回路中串聯(lián)雜散電感有關(guān)，其值隨著雜散電感的增大而增大，關(guān)斷過(guò)程的第二個(gè)尖峰VDM與DC-Link環(huán)節(jié)參數(shù)相關(guān)，主要隨著RS、LS1、LS2的增大而增大，隨著箝位電容 CCL的增大而減小。因而，可將IGCT在開(kāi)通過(guò)程中等效為可變電壓源，其特性可用一階線性電路來(lái)模擬；在關(guān)斷過(guò)程中等效為可變電流源，其特性可用分段二階電路來(lái)模擬，第一階段持續(xù)的時(shí)間由下降時(shí)間tf確定，第二階段持續(xù)的時(shí)間由拖尾電流時(shí)間確定，通常為20～30 μs左右。

圖1 IGCT開(kāi)通關(guān)斷的一般波形

圖2 IGCT測(cè)試電路

2 Saber中仿真模型的建立

2.1 開(kāi)通過(guò)程等效電壓源模擬

圖3 開(kāi)通過(guò)程模擬

開(kāi)通過(guò)程將 IGCT看成一可變電壓源，電壓近似線性下降，用一階 RC電路來(lái)模擬。如圖 3所示，Gon及Goff分別為門極信號(hào)經(jīng)過(guò)延遲后的開(kāi)通和關(guān)斷信號(hào)；電容 Con的初值為 IGCT斷態(tài)時(shí)加在器件兩端的電壓，通過(guò)VCVS-Con回路充電獲得；電路中V_dc的值用來(lái)表示IGCT的通態(tài)壓降，其值隨器件功率等級(jí)而變。

開(kāi)通過(guò)程的電壓方程如式(1)。

由式(1)得到

式(2)中，Uco為電容 Con的初值。通常經(jīng)過(guò) 3～4個(gè)時(shí)間常數(shù)τ，電壓uc穩(wěn)定在Vdc。

2.2 關(guān)斷過(guò)程等效電流源模擬

關(guān)斷過(guò)程將 IGCT看作一可變電流源，用兩個(gè)階段的二階RLC電路來(lái)模擬。通態(tài)時(shí)通過(guò)回路vcvs1-sw1-sw3-Cini-R2及回路 vcvs1-sw1-Coff2使電容Coff2及Cini初值為通態(tài)電流值ITo。關(guān)斷過(guò)程的初始階段，電容Coff2通過(guò)回路Coff2- sw2- vcvs2-Loff1-Roff1- pwld1放電，該階段結(jié)束后，電容Coff2的值穩(wěn)定在k1·ucoff2(k1為vcvs2的比例系數(shù))；關(guān)斷拖尾階段電容 Coff2通過(guò)回路 Coff2-sw4-Loff2Roff2-pwld2放電，放電結(jié)束后，電容Coff2上的電壓趨近于零。通過(guò)壓控電流源Coff2上的電壓變化特性即為IGCT關(guān)斷過(guò)程的電流特性。

圖4 關(guān)斷過(guò)程模擬環(huán)節(jié)

2.3 仿真參數(shù)

選擇 ABB公司型號(hào)為 5SHX19L6010型IGCT器件作仿真原型。各環(huán)節(jié)仿真參數(shù)如表 1所示。其中 tplh，tphl分別為開(kāi)通，關(guān)斷設(shè)置的延遲時(shí)間。

表1 模型仿真各器件參數(shù)

3 IGCT仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

仿真及實(shí)驗(yàn)主電路如圖 5所示，應(yīng)用 Saber層次圖將IGCT封裝為元件模型，方便仿真調(diào)用。如圖所示，電路由4個(gè)IGCT組成兩電平H橋，前端配置DC_Link環(huán)節(jié)。

采用的 IGCT的型號(hào)為 ABB的5SHX19L6010電路中的各參數(shù)如下，VDC=1500 V，Lcl=320 nH，Ls1=3.7 μH，Rs=1.25 Ω，CDC=5 μF，Cc1=2 μF，Rload=4Ω，Lload=2 mH 兩電平 H橋的調(diào)制采用載波層疊法，調(diào)制原理如圖6所示。其中調(diào)制波與正向載波 carrier_1比較用于控制IGCT4，IGCT1的控制信號(hào)為正R＞2半周導(dǎo)通負(fù)半周關(guān)斷，IGCT3的控制信號(hào)與IGCT1相反，調(diào)制波與負(fù)向載波carrier_2比較作為IGCT2的脈沖信號(hào)。

圖5 IGCT兩電平H橋原理圖

圖6 載波層疊調(diào)制原理圖

圖7 仿真關(guān)斷波形

圖7、圖8給出了IGCT1的關(guān)斷波形，IGCT2的開(kāi)通波形，圖9示波器的第一個(gè)波形為IGCT1關(guān)斷波形，仿真波形與實(shí)驗(yàn)波形保持著良好的相似性，體現(xiàn)在關(guān)斷過(guò)程的第一波峰及第二波峰的幅值大致相當(dāng)，另一波形為IGCT2的開(kāi)通波形，開(kāi)通時(shí)間與實(shí)驗(yàn)波形較一致。

圖10為電路運(yùn)行過(guò)程瞬態(tài)波形，從上至下四個(gè)波形依次為 IGCT1，限流電感 Lc，IGCT3，IGCT4兩端上的電壓波形。在這個(gè)瞬間，VT3常通，VT2斬波，VT2關(guān)斷瞬間，由VT1反并聯(lián)續(xù)流二極管續(xù)流，續(xù)流過(guò)程中，負(fù)載輸出電壓逐漸降至零，限流電感電壓逐漸上升至母線電壓，VT3，VT4上的電壓被箝位為零。

圖8 IGCT開(kāi)通波形

圖9 開(kāi)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)波形

圖10 瞬態(tài)波形

圖11實(shí)驗(yàn)瞬態(tài)波形與仿真波形一致，持續(xù)時(shí)間大致相當(dāng)。從仿真與實(shí)驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果看，驗(yàn)證了本文在 Saber中所建立的 IGCT功能模型的準(zhǔn)確性及實(shí)用性。

圖11 瞬態(tài)實(shí)驗(yàn)波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文在 Saber中建立了 IGCT的功能模型。在該模型中，IGCT開(kāi)通及關(guān)斷時(shí)分別等效為可變電壓源及可變電流源。通過(guò)軟件仿真以及與實(shí)際波形的比較分析，結(jié)果表明了該功能模型的有效性，可作為IGCT選型及電路設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。

[1]Nagel, S. Bernet, P. K. Steimer,etc. A 24 MVA Inverter using IGCT series connection for medium voltage applications[J]. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2001 IEEE,vol.2,867 ～870 .

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[3]H. Kuhn and D. Schroder. Implementation and validation of a physics-based circuit model for IGCT with full temperature dependencies[J]. Power Electronics Specialists Conference, 2004, vol 1, 597 ～603.

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[5]袁立強(qiáng), 趙爭(zhēng)鳴, 白華等. 用于大功率變流器的IGCT功能型模型(英文)[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2004, 24(6)： 65～69.

[6]邱光源. 電路. 北京： 高等教育出版社, 1999.