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IGCT吸收电路优化设计

时间：2023-06-28 理论教育 版权反馈
【摘要】：在这里以一个基于IGCT的三相三电平变换器为例来分析IGCT的吸收电路，普通的两电平IGCT变换器吸收电路可以看成其特例。另一方面，IGCT应用特性表明其关断时快速转化为晶体管结构，关断能力增强，可以不需要关断吸收电路。以此为出发点，这里着重分析IGCT的开通吸收电路。在A方案中，该吸收电路对IGCT关断第一尖峰电压抑制作用不大，而在B方案中，电路形式和安装方式的不同，使吸收电路对第一尖峰电压进行了很好的抑制。

IGCT吸收电路优化设计

与IGBT吸收电路不同，IGCT变换器中更多关注的是开通吸收电路。在这里以一个基于IGCT的三相三电平变换器为例来分析IGCT的吸收电路，普通的两电平IGCT变换器吸收电路可以看成其特例。

吸收电路的拓扑与主电路拓扑密切相关，对三电平电路来说，吸收电路拓扑有很多种形式，通过对电压型多电平逆变电路拓扑分析，可以得到吸收电路电感、电容的位置和个数以及吸收电路能量管理的规律。而对于基于IGCT的三相三电平变换器来说，开通吸收电路限流电感的个数最少为2个，最大为6个；关断吸收电路可以不使用，如果使用，限制关断峰值电压的无感电容个数最多为12个。在不考虑吸收电路具体形式的情况下，基于IGCT的三电平变换器一个桥臂的吸收电路示意图如图7-31所示，同时具有开通和关断吸收电路的三电平电路实例如图7-32所示电路图。

在图7-32所示电路中，使用了最大关断吸收电容个数，即一个桥臂4只，每个关断吸收电路为典型的箝位式RCD关断吸收电路，即上一节中IGBT关断吸收电路图7-28c的形式。而开通吸收电路为标准RLD吸收电路，而且可以三相共用，达到最小开通吸收电感个数。该电路的详细分析在相关文献中给出，虽然关断吸收电路中的电容没有直接作用在T2和T3两端，但对此二者的关断是有吸收作用的，这是由三电平电路的换流过程决定的。在该电路中，各IGCT的开通和关断与吸收电路的关系如下：

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图7-31 三电平电路吸收电路示意图

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图7-32 双吸收电路三电平电路

1）T1的开通是由开通吸收电路LS1限制di/dt的，而关断是由关断吸收电路中CS1限制du/dt的；

2）T2的开通是由开通吸收电路LS2限制di/dt的，而关断是由关断吸收电路中CS3（不是CS2）限制du/dt的；

3）T3的开通是由开通吸收电路LS1限制di/dt的，而关断是由关断吸收电路中CS2（不是CS3）限制du/dt的；

4）T4的开通是由开通吸收电路LS2限制di/dt的，而关断是由关断吸收电路中CS4限制du/dt的。

由于开通吸收电路和关断吸收电路之间有能量交换，为吸收电路的简化带来可能，比如开通、关断吸收电路能量释放用的电阻进行共用，在一些实际应用中就采用了该方案。这种复杂的能量交换过程为变换器的设计、分析和优化带来一定的麻烦。另一方面，IGCT应用特性表明其关断时快速转化为晶体管结构，关断能力增强，可以不需要关断吸收电路。以此为出发点，这里着重分析IGCT的开通吸收电路。在基于IGCT三电平变换器中的开通吸收电路拓扑中，有三种典型的方案，它们分别如图7-33～图7-35所示，其中NP表示直流母线电容中点。

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图7-33 三电平电路开通吸收电路方案Ⅰ(www.daowen.com)

这三种吸收电路都可以看作R、L、C和D构成的开通吸收电路拓扑。其中L一般使用空心抗饱和的大电流电感，感值一般在1～20μH；D为吸收二极管，一般使用平板压装的快恢复二极管；R是吸收电阻，用于电感和电容能量的消耗和向母线回馈；C是吸收电容，一般从电路的角度可以认为用于调节开通吸收电路时间常数，在IGCT关断时，主要用于缓冲吸收电感中的能量。

为了分析方便，不妨分别称它们为方案Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ，显然三种方案所使用的器件个数依次增加，三种方案对IGCT开通过程中di/dt限制效果基本相同，对三种电路的综合比较如表7-4所示。

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图7-34 三电平电路开通吸收电路方案Ⅱ

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图7-35 三电平电路开通吸收电路方案Ⅲ

表7-4 三种开通吸收电路方案比较

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因为方案I中三相共用两套开通吸收电路，吸收电路到三相桥臂之间的距离不相等，必有一相桥臂离无感电容较远，与IGBT的关断过程类似，这种情况会导致该桥臂中的IGCT关断电压尖峰增加。一般采用该方案的三电平变换器的容量相对较低，通常用于风机、水泵等负载。方案Ⅱ中三相桥臂共用吸收限流电感，但分别使用各自的二极管、无感电容和放电电阻，电路图上这些器件为并联关系，实际安装中各回路的杂散电感得到保证。由于这种方案中各支路分离得不够彻底，为电路中无感电容值的设计带来一定麻烦。方案Ⅲ中将每个桥臂中都使用了独立的开通吸收电路，不但保留有方案Ⅱ的优点，还可以以一个相桥臂作为设计单元，相与相之间的相互影响降到最低，有利于电路模块化设计。一般的，方案Ⅱ和Ⅲ多用于较大容量的三电平变换器中。

在一些技术文献中，根据C在器件关断时吸收能量而将其定义为关断吸收电容，将整个RLCD电路定义成为复合型开通/关断吸收电路。在此对使用如图7-33所示RLCD吸收电路（不妨称A方案）和使用如图7-32所示的真正开通+关断吸收电路（B方案）中的IGCT关断行为进行简单的对比。两种方案的IGCT的关断电流电压仿真波形如图7-36所示，可以看出在一样的关断电流波形下，其关断电压波形有一定的不同。在A方案中，该吸收电路对IGCT关断第一尖峰电压抑制作用不大，而在B方案中，电路形式和安装方式的不同，使吸收电路对第一尖峰电压进行了很好的抑制。所以在实际应用中，有时不能简单地根据吸收电路的拓扑就给出功能定义，需要更关注的是其在实际变换器中对开关器件开通和关断行为的作用。

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图7-36 两种方案的IGCT的关断电流电压波形

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