使用IGCT的变换器形式多种多样，采用的保护措施也相互不同。在此以一个基于IGCT变频调速系统中的保护设置为例来分析变换器中的IGCT的保护，主要是从电压、电流和温度三方面的检测和保护来说明。

IGCT变换器中一样也存在保护测量点的选取，一般的系统中关键点测量都与IGCT保护设计相关。变换器中的关键点测量，指的是对变换器运行特性体现较明确，可以直接用于变换器运行特性判断的电路节点参数测量。在此案例中，关键点选取包括直流母线、逆变电路输出电路和IGCT组件散热器等。直流母线是变换器中能量集中的地方，直流母线电压和电流的变化能够体现变换器中的能量流动状态，同时与IGCT等开关器件的工作状态密切相关；在不发生桥臂直通故障时，逆变电路输出电流总是流经逆变电路中各开关器件；在IGCT组件中，散热器同时承担了多种功能，它不但是器件功率损耗的散热装置，其温度间接体现了IGCT的工作温度，同时它还是电路中连接开关器件和直流母排的导体，要流经主电路的电流，另外它还是压装组件的一部分，其压接面的平行度和粗糙度直接影响组件的机械特性。当然，变换器中的关键点测量不仅仅是这些，其他电路的节点信息也非常重要，比如主断路器的开关状态、输入变压器的温度、变换器内风冷系统风压、电机电流和温度等，但是直流母线、逆变电路输出和IGCT组件散热器是跟IGCT安全工作密切相关的测量点。

首先来看直流母线电压以及过电压快速保护。直流母线电压变化是变换器中能量流动不平衡的结果。其中直流母线过电压相对于欠电压带来的威胁更大。造成直流母线过电压有以下几种可能：

1）输入电源侧电压的升高；

2）所带负载处于发电状态，向变换器输电，使直流母线电压升高；

3）在多电平变换器中，即使总的电压没有升高，但是各电平之间发生了不平衡，对于开关器件IGCT来说也是电压升高；

4）由于系统发生电磁振荡，包括变换器端部发生的自激，产生周期性过电压，比如特定条件下输出端滤波器电路产生的自激振荡。

基于上述产生过电压的几种原因，对于变换器的母线电压进行检测，若是多电平变换器则需对各个电平电压进行检测。当检测母线电压超过其额定电压一定倍数时，进行相应的过电压保护动作。过电压保护动作一般为封锁所有IGCT脉冲，断开主断路器等。在此过程中，最重要的问题是过电压信号量测的准确性和传输的快速性。本案例设计的母线电压检测以及过电压保护电路示意图如图6-54所示。

在此过电压保护中，根据不同的阈值设计了快速、慢速两个过电压保护通道。举例来说，一路通道将模拟输出电压经过AD采样和通信渠道传送到控制系统，控制系统判断当母线电压值高于130%时，进行相应的保护动作；另一路通道则完全由模拟电路构成，当母线电压值超过135%时，认为已经达到了IGCT过电压保护的边缘，因此采用具有快速性的纯模拟电路，通过光纤快速通道直接控制主控板启动保护动作，其中为了防止干扰的影响，使用了模拟滞环电路，过电压快速保护的光纤输出信号与检测电压的关系如图6-55所示。其中在正常运行状态下，光纤输出信号为常亮，可以避免该通道线路故障造成的保护失效情况。

图6-54 直流母线过电压保护示意图

图6-55 过电压保护滞环示意图

然后来看直流母线短路电流检测。母线短路电流的检测也是以直流母线作为关键点的检测。发生直流母线短路或者部分直流母线短路都是非常严重的故障，造成直流母线短路有以下几种可能：

1）控制系统发出的PWM驱动信号中，出现了让两互锁IGCT同时导通的情况，一般在控制系统中，“死区”的设定是由较可靠的电路来完成的，发生这种情况的可能性较小；

2）某一个IGCT发生失效，比如逆变电路输出电路检测和保护不准确，IGCT关断时，关断了过大的流经电流造成损坏变为短路，此时控制系统认为该IGCT已关断，当与其互锁的IGCT导通时，就构成了对直流母线的短路。

直流母线短路电流的检测和保护是保护中的难点问题，一般需要电流值和电流变化率的同时检测。在本案例中，在吸收电路电感后侧发生的短路，其电流变化率都要流经吸收电感，电流变化率会受到限制，可以利用这一点来检测短路电流值，即通过吸收电路电感两端的电压来检测电流，从本质上来说是根据电流的变化率和其持续时间来得到电流信息。(www.daowen.com)

在本案例中，变换器正常工作时吸收电路的脉冲电压持续时间一般为几个μs，检测该持续时间，就要求检测环节消耗的时间非常小，这是普通的传感器以及数字电路做不到的，所以此时短路电流检测电路是纯模拟电路。同时考虑到电磁兼容性，该电路采用光纤输出，没有电源输入，以吸收电感两端的电压脉冲直接驱动光纤。控制系统判断光纤亮的时间超过某一个设定值时，则认为发生直流母线短路故障。吸收电路和一个IGCT三电平桥臂的示意图如图6-56所示，图中给出了电感的端电压和流经电流的方向定义，一个正常工作状态下的波形如图6-57所示。

图6-56 吸收电路电感和桥臂

图6-57 吸收电感上的电压和电流波形

可以看出，吸收电路电感电压波形由几部分组成，一是各IGCT开通时di/dt引起的幅值约为半边母线电压的、宽度不等的脉冲（简称脉冲Ⅰ）。由于换流回路中杂散电感的存在，该电压值小于半边直流母线电压，值得注意的是，不是所有IGCT开通都会造成该脉冲；二是各IGCT关断时，吸收电路电感中能量向电容和电阻转移过程中引起的负电压脉冲（简称脉冲Ⅱ），幅值在几百至一千多伏，也不是所有的IGCT关断都会引起该脉冲；三是电感中电流缓慢变化（负载电流）引起幅值很小的正负脉冲（简称脉冲Ⅲ）。其中脉冲Ⅰ是主要考察对象，当直流母线发生直通故障时，该脉冲的宽度会持续增长。通过实际参数计算可以知道，区别变换器正常工作时和桥臂直通时该脉冲宽度的差异，并用于IGCT直通快速保护非常困难。换句话说，在保证不发生直流母线短路故障误报的参数设定下，一旦发生了直流母线短路故障，在控制系统检测到该故障之前，IGCT中的电流可能已经超过了其最大可关断电流。

此时可以采用特殊的保护动作，不进行封脉冲关断处理。其中一种处理方式是在切除前端电源的同时，将逆变电路中所有IGCT全部触发导通，利用IGCT的浪涌电流特性来快速释放直流母线电容中的电荷，这种保护动作需要根据IGCT和控制系统特性来综合考虑，存在相当的风险，这也是此处只叫做直流母线短路电流检测，不涉及保护的原因。

如果通过各种综合手段，确保变换器工作时不发生桥臂直通的现象，则IGCT的过电流保护可以通过变换器输出电流的检测和保护来实现，这与IGBT的情况一致。与IGBT变换器不同的是，对IGCT本身不能通过检测饱和压降来检测过电流。在小电流的IGCT中一般没有器件状态的反馈，而在一些大电流的IGCT中通过反馈光纤给出一些器件的故障状态，可用于保护。

最后分析IGCT散热器温度测量及过温保护。一般的IGCT的散热器温度过高，则IGCT的结温过高，超过一定极限就会造成开关器件开关特性下降，甚至失效。造成散热器温度过高的原因有以下几种可能：

1）控制系统参数设计不合理，开关频率过高，开关器件的开关损耗过大；

2）冷却系统效率降低，热阻过大，一般风冷系统的入风口都采用滤网来过滤空气中的杂质，工业应用现场往往空气中杂质较多，造成滤网堵塞，冷却系统的通风量不足，冷却效率下降，一般通过风路风压检测和定期滤网清理可以降低该情况的发生概率；

3）冷源温度，即环境温度的升高也可使散热器温度升高，环境温度受到气候条件和变换器应用现场条件的影响，在一些较恶劣条件下，环境温度可达到40℃。

图6-58 IGCT散热器测温电路

在IGCT变换器中，散热器的温度测量存在两大难点，一是测温电路的电源，二是温度信号的检测和输出。如前所述，IGCT散热器参与了主电路导电行为，不同散热器的电位相差很大，并要与大地或者变换器壳体保持绝缘。所以测温电路的电源和信号输出都不能影响系统的绝缘要求。在本案例中采用如图6-58所示的散热器测温电路。其中，温度传感器直接与散热器接触，供电电源从就近的IGCT驱动电源来取。考虑到IGCT工作的可靠性，要求所有测温电路对电源的影响降到最低，因此选取驱动电源对应的IGCT阴极与该散热片相连接。而温度信息的输出包括两种，一种是温度数值，一种是过温信号，都采用了光纤作为传输介质。这样的散热器温度测量和保护，在实际应用中可以得到好的效果。