功率器件集成门极换流晶闸管关断特性研究

为深入研究IGCT的关断特性，该文基于实验结果，建立了IGCT关断过程中，流过IGCT电流的波形的数学模型，在此基础上进而提出用微分方程研究电路中IGCT关断特性的方法。为验证该方法的有效性，以建立的IGCT关断过程电流波形数学模型为基础。该文建立基于斩波电路的IGCT关断暂态特性的数学模型。该模型充分考虑IGCT阻容吸收回路、线路杂散电感及限流电抗器对IGCT关断暂态过电压的影响。数值仿真及试验结果表明，该模型能够较好地反映IGCT关断过程中的暂态特性。     

基于傅里叶级数的改进型IGCT物理模型

研究集成门极换流晶闸管(IGCT)高精度模型建模方法,有助于深入分析IGCT运行特性、提高含IGCT变流器的整体性能。为此,建立了基于傅里叶级数法的改进型IGCT物理模型,根据IGCT运行特性考虑了N基区非耗尽区注入状态的变化,且针对不同注入状态将描述该区域载流子分布特性的双极输运方程(ATE)加以简化,并运用傅里叶级数法求解,提高了关断暂态拖尾电流精度。利用动态承压系数计算N基区空间电荷区压降,确保电流可靠关断的同时,提高了关断暂态电压精度。同时,N缓冲层和P基区分别采用准静态法与电荷控制法描述载流子分布情况,建立了改进的IGCT物理模型。通过改进模型与现有模型仿真结果及实验结果的对比,验证了该建模方法的正确性和模型的有效性。     

基于IGCT串联的10kV直流混合断路器研究

直流断路器是直流系统组网的关键设备。该文针对直流断路器工作模式对集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristors,IGCT)特性进行研究,首先结合仿真与实验结果,分析了母线电压、关断电流、缓冲阻容及杂散电感等因素对IGCT关断动态特性的影响。然后以两IGCT串联系统为例,研究了缓冲阻容、杂散电感差异和触发时间差异对串联均压特性的影响。结果表明,触发时间差异对均压效果影响最大,串联系统应尽量保证所选器件和阀体杂散参数的一致性,并通过调整触发时间等方法改善均压效果。接着,该文给出一种自然换流型混合断路器方案,与已有串联辅助开关的方案相比,该方案通态损耗几乎为零、不需水冷散热、控制逻辑简单、系统可靠性高。基于IGCT动态特性和均压特性分析,该文选取合适参数,搭建了4个IGCT串联开关支路,并完成母线电压10 kV、关断电流3.5 kA开通关断实验,不均压系数约为5%。结合快速机械开关,设计并实现了10 kV自然换流型直流混合断路器,完成了关断电流3.6 kA的整体实验,关断过电压21.4 kV,验证了该方案的可行性。近期还完成了40 kV/3.4 kA的实验,为中高压直流断路器的实际工程应用奠定了坚实基础。     

IGCT驱动关断电路及续流回路参数提取

集成门极换流晶闸管(integrated gate commutated thyristor,IGCT)关断暂态时,其电流迅速由阴极换向到门极,且IGCT反并联二极管因承受正向偏压而导通,故IGCT关断暂态特性受其门极驱动关断电路及其反并联二极管运行特性影响。基于IGCT关断暂态换流机制及反并联二极管的工作原理,提出IGCT关断暂态时门极换流晶闸管(gate commutated thyristor,GCT)、驱动电路与反并联二极管所构成续流回路的等效电路,详细分析反并联二极管不同工况时等效电路结构及其运行特性的变化。结合IGCT关断暂态其端电压及等效电路各支路电流的实验结果,给出IGCT驱动关断电路及续流回路参数的提取方法。通过不同箝位电压与关断电流时实验结果与理论分析的对比,并考虑参数提取结果的一致性,充分证明等效电路与理论分析的正确性及参数提取方法的有效性。     

适用于直流开断的IGCT串联均压技术

电力电子器件的串并联是目前解决和实现高压、大功率直流断路器、电力电子变换器的主要组合方式。为此,围绕适用于高压直流开断的电力电子器件串并联技术,开展了面向瞬态开断的多器件静态及动态均压技术研究。首先,分析了集成门极换流晶闸管（integrated gate-commutated thyristor,IGCT）串联不均压原因及IGCT串联均压技术,以给出适用于直流开断的IGCT串联均压方案;其次,分析了缓冲电容、缓冲电阻和关断触发时间的差异对均压特性的影响;最后,搭建4个IGCT串联的电力电子阀组并进行实验验证。研究结果表明：（1）适用于直流开断的IGCT串联静态均压可通过并联静态均压电阻实现,负载侧动态均压可通过并联缓冲阻容电路的无源缓冲方法实现;（2）缓冲电容越大、缓冲电阻越小,过电压就越小;触发信号时间差越大,不均压程度就越大;（3）10.5 k V/1.5 k A阀组开断实验不均压系数为5.71%,均压效果良好;（4）基于模块化电力电子串联阀组,进行了混合式直流断路器整体联调实验,3.0 ms时间后关断短路电流为3.6 k A,关断产生过电压为21 k V。通过实验验证了适用于高压直流开断的IGCT串联阀组均压方案的可行性,可以为实现瞬态开断的模块化电力电子串联阀组工程应用提供技术基础。     

IGCT的原理性电学模型与动态特性仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)因具有开关速度快、损耗低、容量大、导通管压降低等优越性能而正逐渐广泛地应用于中压大功率领域,但国内外仿真软件中尚无IGCT的器件仿真模型。为此根据IGCT的结构特点、工作原理、额定参数以及外总电学特性,应用两个Hu-Ki模型并联的优化模型及ORCAD建立了IGCT的原理性电学模型,给出了模型的电路图及元件参数,并应用该模型进行了IGCT的动态特性仿真与分析,给出了开通、关断电压和电流波形,关断功率脉冲波形,门极关断电压和电流波形。仿真结果显示仿真的IGCT器件关断时间2μs,关断能量约0.1J,关断时门极反向电流峰值25A,表现出明显的反向抽取作用,与实测波形保持了很好的一致性。该模型意义明确、描述准确、结构简单、仿真速度较快,且有一定的通用性,可用于IGCT器件与简单系统的仿真研究,为IGCT的选择应用、器件匹配与保护电路的设计提供研究手段与设计参考。     

4.5 kV/4.0 kA IGCT的应用研究

针对100Mvar及以上大容量静止同步补偿器(STATCOM)用的串联两只或三只(型号为5SHY 35IA503的4．5kV／4．0kA)集成门极换向晶闸管IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)的应用进行了研究。设计了可进行6只IGCT串联的实验平台；通过测试波形得出不同条件下IGCT的串联均压特性，结果表明，在串联状态下开关特性一致。文中指出，当电容变小时，IGCT关断过程中的关断速度明显提高，关断损耗也明显减小。     

基于非对称IGCT的PWM整流器换流分析与试验

基于非对称集成门极换流晶闸管(IGCT)的脉宽调制(PWM)整流器具有可靠性高、导通损耗小和易于实现有功与无功解耦控制的优点,是高压输电线路直流融冰的新选择。针对非对称IGCT的PWM整流器,根据不同状态的换流阀承受电压,建立了整流器的等值分析电路。基于等值分析电路,开展了换流阀的换流分析,研究了存在的过电流关断电压峰值。在此基础上,提出了换流阀的参数设计方法,研制了基于IGCT的换流阀,搭建了过电流关断试验和串联均压试验的试验平台,开展了物理试验研究,结果表明,所设计的参数满足IGCT安全工作要求,而且具有良好的动态和静态均压效果。     

集成门极换向晶闸管开关特性

新型开关器件集成门极换向晶闸管(IGCT)由于其优越的性能在中高压大功率多电平变流器系统中逐渐得到广泛应用.在电力电子仿真软件PSIM中实现的一种适用于高压大功率变流仿真的IGCT功能模型的基础上,建立了IGCT单管实验的仿真模型,分析了IGCT开关特性,特别是该电路中各种杂散参数和缓冲吸收电路中各元件参数对IGCT关断过程的影响,为实际的基于IGCT器件的大功率多电平变流器系统的结构设计和控制提供了重要的理论根据和指导.     

基于逆阻IGCT的可控关断电流源型高压直流换流器电气应力和损耗特性分析EI北大核心CSCD

逆阻型集成门极换流晶闸管(reverse blocking integrated gate-commutated thyristor,RB-IGCT)的出现,为可控关断的电流源型换流器(current source converter,CSC)的研究奠定了基础。为了推动器件在高压直流输电领域的应用,文中首先介绍最新研制的4500V/3000A逆阻IGCT的技术参数;其次,介绍CSC拓扑方案,提出子模块缓冲电路,能够实现器件的动态均压和IGCT取能的要求;接着,以换流阀电压和电阻损耗最低为约束条件,给出子模块串联数、缓冲电路参数设计和损耗分析等综合优化方法;然后,搭建250kV/750MW的LCC-CSC混合输电系统模型,给出缓冲电路和主要杂散参数的范围;最后,基于研制的4500V/3000A的逆阻IGCT子模块,验证所提缓冲电路的有效性,并对比分析在该参数下CSC、传统直流和柔性直流的损耗情况。结果表明,由逆阻IGCT串联构成的CSC,相对于传统直流换流阀具有可控关断的技术优势,相对于柔直换流阀,具有器件少、损耗低等优势。     

受杂散电感影响的大容量变换器中IGCT关断特性研究

集成门极换流晶闸管(IGCT)是大容量变换器高效可靠运行的重要元件。电路杂散电感会严重地影响IGCT的关断特性，增大器件的电压应力和关断损耗，甚至导致器件损坏。以基于IGCT的12 50 kW/6 kV三电平变频器为例，通过理论分析、仿真和实验，深入研究杂散电感对IGCT关断特性的影响。通过引入影响因子的概念，评估不同支路杂散电感影响的严重程度，据此提出杂散电感的设计原则。结合变换器柜上的单管IGCT测试方案，使得杂散电感和IGCT关断特性的准确预估成为可能，为基于IGCT的大容量变换器的设计和优化提供了重要的指导。     

采用IGCT电压型三电平逆变器的高压变频调速器

摘要： 集成门极换向型晶闸管(IGCT)的优良性能使其适合于实现高-高方式的高压变频调速装置。文中提出了基于IGCT中点箝位电压型三电平逆变器的高压变频调速装置主电路，并给出了一台6 kV/1 800 kVA高压变频调速装置的实现。装置交流输入侧采用变压器隔离的24脉冲整流电路来保证输入侧功率因数大于0.96，中间直流环节直流电压为10 kV，逆变部分采用中点箝位(NPC)电压型三电平逆变器输出三相6 kV线电压，每只开关器件由2只4.5 kV IGCT器件串联构成。逆变器采用变频的特定谐波消除脉宽调制(SHE-PWM)，且输出侧采用LC滤波器来减小输出电压的谐波畸变率及dv/dt。装置采用IGCT作为电子开关进行输出过电流保护。装置实验表明，这种高压变频器具有很好的性能及可靠性。     

逆变器中杂散电感对IGCT端部电压的影响

为了分析逆变器中杂散电感对集成门极换相晶闸管（Integrated Gate Commucated Thyristor,简称IGCT）端部电压的影响,利用PSpice软件包建立了IGCT的2T-3R子电路模型,得出了考虑逆变电路中杂散电感影响的IGCT端部电压仿真波形。分析对比后可知,在杂散电感较大的情况下,尤其是换流回路杂散电感较大时,会使IGCT输出端产生过电压,严重时会使IGCT击穿。通过安装关断吸收电路,可以有效地降低IGCT的端部过电压。     

6 kV变频调速系统中IGCT串联缓冲电路设计

IGCT单独使用时可以不用缓冲电路.但是6 kV及以上高压变频器需要将IGCT串联使用以获得更高的耐压水平.此时,IGCT需要并联缓冲电路才能安全工作.为设计6 kV高压变频器串联吸收电路,通过对IGCT特性进行分析,给出了设计IGCT缓冲电路的具体方法,通过试验验证吸收电路的工作效果.     

基于IGCT的中心点钳位型三电平高压变频器直流环节研究

将IGCT串联技术应用于中性点箝位型三电平高压大功率变频器，研究了变频器直流环节（包括限流电感、箝位电容及限流电阻）对变频器安全运行的影响。通过分析三电平结构的开关暂态过程，建立了变频器暂态开关数学模型，并设计了直流环节部分的限流电抗。在综合考虑三电平的开关过程、直流限流电感的大小及IGCT过压能力的基础上，研究了直流箝位电容对变频器逆变侧持续性直流电压的影响，并推导了直流箝位电容及限流电阻的设计要求。基于PDPWM调制方式，分析了限流电阻对死区时间、最小脉宽及开关频率对开通及关断di/dt的影响，并基于IGCT5SHX14H4502文中设计了6kV、2.5MW二极管箝位型三电平中压变频器直流环节，并通过了6kV高压试验的检验，仿真结果验证了所选参数的有效性。     

基于IGBT开关过程的变流器杂散电感分析方法

在IGBT关断的瞬态过程中,变流器杂散电感会使IGBT的集、射极之间产生较高的电压尖峰,从而造成较大的电磁干扰,甚至导致IGBT损坏。若能测量变流器杂散电感,则可在一定程度上预估该电压尖峰,并设计适当的缓冲电路。本文分析了IGBT开通和关断瞬态过程中各阶段的电压和电流,提出了一种优化的基于IGBT开关过程的大功率变流器杂散参数分析方法。通过双脉冲测试方法对西门康功率器件SKM400GAL176D的开关过程进行测试,获取其开通和关断瞬态过程曲线,利用前述方法计算出母排杂散电感。将计算结果与仿真软件提取结果、E4980A阻抗分析仪测试结果进行对比,验证了该方法的准确性与实用性。     

IGBT模块直接串联电压均衡驱动控制技术

高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块直接串联技术是实现柔性直流输电、高压直流断路器等高压大功率控制设备的一个重要基础,其中最难解决的是串联IGBT模块之间的电压均衡问题。文中分析了电压不平衡的机制,得出了实现电压均衡的关键在于解决断态电压不平衡和关断电压不平衡问题,门极侧均衡控制方法是较好的解决手段。对基于有源电压控制技术的驱动设计和基于延时补偿的控制策略进行了探讨,并分别采用在有源区对关断波形进行跟随控制和补偿IGBT器件间关断延时的方法,有效实现了串联器件的电压均衡。最后,通过6只3 300V/1 200AIGBT模块直接串联的阀段脉冲和基于该阀段的三相换流阀运行测试,对这两种方法进行了验证,所述方法获得了较好的电压均衡效果。     

基于IGCT的新型固态桥式短路故障限流器

提出将带旁路电感的桥式短路故障限流器中的半控开关器件——可控硅,用大功率自关断器件——集成门极换流晶闸管（IGCT）代替,从而将整流桥的失控时间从半个周期缩短到电流信号检测时延,从而可以有效减小直流限流电感的电感量,将占据限流器体积、重量、成本主要部分的直流限流电感量缩小5／6以上。研究了在该特定电路条件下的基于IGCT的有源逆变控制方法,可以保证在采用IGCT后,桥路转入逆变工作方式和从限流器中退出时均不引起电感电流通路的阻断,因而不引起操作过电压。直流限流电感的电感量减小,有利于提高限流器动态特性,缩减由于充磁而导致波形畸变的时间。详细介绍了基于IGCT的短路故障限流器的控制策略,并进行了仿真和实验研究,结果证明了所提出的故障限流器及其控制策略的有效性和实用性。