为了确保基于IGCT的大功率变换器的可靠性和动态性能,在变换器实现之前,在测试电路上对IGCT进行测试是一个重要的环节。在大部分IGCT的产品说明中,许多性能参数都是在给定的测试电路、给定的电路参数下得到的。另一方面,IGCT测试电路也可以考察缓冲电路的工作情况,检查缓冲电路的参数等。IGCT测试电路的拓扑和参数跟两电平和三电平NPC(中点箝位)变换器的主电路有对应关系,在IGCT测试电路的设计中包含了这两种变换器的基本设计规则。本节所分析的IGCT模型的仿真和实验对比也针对测试电路进行。
型号为5SHX08F4502的IGCT无dv/dt缓冲的测试电路如图8-18所示,其中LS、RS、DS和CS构成di/dt缓冲电路,LS1、LS2和LS3是为了模拟变换器中杂散电感和分析IGCT开关特性而加入的等效电感。
LS1~LS3的定义和取值范围如下:
LS1:等效di/dt缓冲器中电容及与之相连支路的杂散电感,其数值与吸收电容的选型有密切关系,一般在100nH~1μH之间;
LS2:等效di/dt缓冲器中电阻及与之相连支路的杂散电感,其数值与吸收电阻的选型有密切关系,一般在100nH~1μH之间;
LS3:等效换流回路的杂散电感,其数值与主电路的机械结构设计有密切关系,一般在100nH~3μH之间。
图8-18 无du/dt缓冲的IGCT测试电路
首先来简单分析测试电路中几个关键器件参数。当被测的IGCT开通时,伴随着续流二极管的关断,而二极管关断di/dt耐量要比IGCT开通di/dt耐量小,所以当直流母线电压较高时,电感Ls的值必须足够大,以确保续流二极管关断时di/dt不超过其耐量。一般来说,根据二极管的直径和开关电压,其di/dt耐量在200~800A/μs之间不等。则Ls的取值为
LS≥UDC/(di/dt)DF (8-23)
当被测IGCT关断的时候,IGCT中的电流迅速降低,储存在Ls中的能量通过Rs、Ds和Cs来吸收,Rs和Cs的参数必须设计合理,才能确保在IGCT上产生的过电压在IGCT的允许范围内。可以看出,在忽略杂散电感的情况下(如果杂散电感的值超过一定限度,则下述设计不成立),Rs、Ls、Cs和直流母线构成阻尼并联谐振电路,可以认为直流母线电压为定值。以电容电压与直流母线电压的差Δu为状态变量可求得状态方程为(www.daowen.com)
在关断开始时刻,Δu=0,dΔu/dt=IDUT/Cs,IDUT为关断时刻被测器件中的电流,则该二阶状态方程的阻尼系数如下式所示,一般设计为0.8左右。
D=(LSCS)0.5/(2RS) (8-25)
根据上述公式和取值可以求出Δu的最大值,即被测器件承受的最大重复可关断电压(UDRM)与直流母线最大电压的差,由此可以设计电路参数如下
LS=10.7μH;CS=2.0μF;RS=1.20Ω
在根据IGCT的型号以及其相关的性能参数确定出该型号IGCT模型参数之后,这些参数的值在该模型用于电路仿真的时候,不必根据外电路参数的改变而改变。为检验模型的准确性,现将该模型用于如图8-18所示的电路仿真中。
在本节描述的实验中,直流母线电压为560V,负载电流为160A,与额定测试时的2800V/630A相比,留出很大的安全裕量。在实验电路中估算LS1约为100nH,LS2约为100nH,LS3为人为加入的导线电感,约6.4μH,对应着变换器中IGCT换流回路机械设计不合理,杂散电感过大时的情况。负载为3.82Ω和100μH串联阻抗负载。IGCT的关断电压电流的仿真和实验波形分别如图8-19a和b所示。
图8-19 IGCT关断时的电压和电流波形
可以看出,仿真结果准确,仿真和实验结果相吻合。而造成仿真误差的主要因素有:IGCT模型准确度,实际电路杂散电感测量的准确度和电压测量准确度等。
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