集成门极换向晶闸管及其组成的大容量PWM变频调速系统

本文分析了新型器件集成门极换向晶闸管（IntegratedGate－CommutatedThyristor）IGCT的原理、采用的新技术（强驱动、缓冲层和透明阳极发射）。介绍了IGCT－PWM调速系统PWM波生成新方法和其它负荷无功功率的补偿。

集成门极换向型晶闸管透明阳极的数值模拟

分析了集成门极换向型晶闸管 (IGCT)的透明阳极相对于传统阳极的特点 ,并进行了数值模拟 .利用有限差分法求解电子电流密度方程、空穴电流密度方程、载流子连续性方程和泊松方程的联立方程组 ,得到了透明阳极的发射效率随电子电流密度增大而增大的变化关系 .透明阳极的这种特点使得IGCT在大电流关断时能够迅速地排出过剩的载流子 ,保证了关断时的均匀性 ,简化甚至消除了吸收电路 ,使得IGCT在中电压、大功率场合具有广泛的用途 .

集成门极换向晶闸管(IGCT)

介绍了一种新型电力半导体器件——集成门极换向晶闸管(IGCT)的特性、工作原理、关键技术,并指出它必将成为大功率应用中的首选电力半导体器件。

集成门极换向晶闸管在大容量变流装置中的应用研究

电力电子功率器件的的单管容量是大容量变流器装置研究和应用的瓶颈,集成门极换向晶闸管IGCT的出现,促使电气传动控制装置及控制系统不断向控制的高速化、小型化及高效率化等方面发展.介绍了作者研究IGGT串联应用的成果,以及在三电平高压变频器和静止同步补偿器上应用大容量集成门极换向晶闸管的经验,指出了在大容量变流装置中使用集成门极换向晶闸管时要注意的几个关键问题.

集成门极换向晶闸管领先群伦

在90年代中期,唯一的大功率(≈15MW)开关器件是GTO。这种器件开关速度比较慢,并且难以满足象在100MW高压逆变器设备中的串联的要求。ABB需要迅速改进GTO,其结果是将GTO的门极集成,使关断时间降低了30％。在这个条件下很快就实现了用一种新的工艺设计GTO。一种新的器件“GCT”诞生了——

混合换相换流系统换相失败抵御方法与RTDS验证

换相失败是基于电网换相换流技术(LCC)的直流输电特有的故障形式,并且在弱交流系统中表现尤为明显。本文首先分析了LCC换相失败的原因,提出了采用大功率可控关断的集成门极换流晶闸管(IGCT)替代晶闸管的混合换相换流技术(HCC)方案。接着结合IGCT特点,提出了适用于HCC的正常换流与换相失败抵御两种工况下的主动关断模式及其实现方法。然后参照实际高压直流控制保护框架,设计并搭建了实时数字仿真平台(RTDS)环境下的HCC系统的一次回路、直流控保以及阀控系统,在尽量沿用现有的已经成熟的控保技术的同时,仅增加了主动关断部分。最后通过系列试验验证了HCC系统抵御换相失败的可行性与准确性。

采用IGCT电压型三电平逆变器的高压变频调速器

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 6k V/1 80 0 k VA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 2 4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 1 0 k V,逆变部分采用中点箝位( NPC)电压型三电平逆变器输出三相 6k V线电压 ,每只开关器件由 2只 4.5 k V 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。

基于链式逆变器的大容量STATCOM的直流电压平衡控制(英文)

结合50 MVA STATCOM的研制,建立了基于链式逆变器的STATCOM直流电容电压稳态数学模型,揭示了电容电压不平衡现象产生的机理,分析了控制直流电压平衡的手段,提出了一种基于直流母线能量交换的直流电压平衡控制方法。分析了基于交流电源母线能量交换的直流电容电压平衡控制方法的原理,提出了最大(或最小)电容电压跟踪的平衡控制方法,并在50 MVA STATCOM的PSCAD模型和±18 kvar STATCOM的实验模型上进行了仿真研究。仿真和实验结果验证了稳态模型以及所提出的控制方法的正确性和可行性。

50MVA静止同步补偿器链节的等价试验

50MVA新型静止无功发生器(StaticSynchronousCompensator,STATCOM)采用IGCT链式逆变器。为了有效地对装置进行型式试验,需要对大容量链节进行等价额定工况运行试验及过电流保护试验。等价额定工况运行试验采用所谓的背靠背运行试验方法,两个被试验链节输出通过一个连接电抗相连,通过控制两个链节输出电压相位角来控制链节间交换的无功功率方向和大小,损耗由连接到其中一个链节直流侧的外接直流电源提供。等价过电流保护试验通过链节带感性负载进行。文中给出了背靠背试验、等价过电流保护试验的原理以及试验结果。试验结果表明链节设计达到了链式STATCOM技术标准的要求。

高压大容量静止同步补偿器功率开关器件选用分析

在电力电子装置中,大功率开关器件很大程度上决定设备的技术经济指标。以南方电网35kV/±200Mvar链式静止同步补偿器(STATCOM)工程应用为背景,介绍了电子注入增强门极晶体管(IEGT)的基本结构、工作原理和性能特性分析,并与绝缘栅双极性晶体管(IGBT)与集成门极换向晶闸管(IGCT)的参数进行对比,阐述了基于IEGT的功率相模块结构及工作原理,并对其进行了试验验证。试验结果表明IEGT具有优越性,可作为高压大容量STATCOM功率开关器件的首选。所得结论经南方电网STATCOM实际工程应用验证,可供高压大容量STATCOM设计借鉴。

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。

大功率IGCT高压变流器的研究

通过对大功率集成门极换向晶闸管(IGCT)高压变流器的结构、控制系统、保护系统的研究,设计出一套7.5 MVA的基于集成门极换向晶闸管的高压三电平中点箝位(NPC)变流器.通过对几种常见的三电平NPC变流器的拓扑结构进行研究,选取了采用分散的缓冲吸收电路的结构方式.控制系统采用基于VME总线的VMIC核心系统,利用信号数字处理(DSP)控制板生成三电平电压空间矢量PWM调制脉冲.保护系统可以对变流器运行中的过压、过流等各种故障采取快速有效的保护措施.在变流器系统的性能试验中,最大直流母线电压达到5000 V,最大输出电流达到2500 A.试验结果表明,该变流器达到了7.5 MVA的设计要求.

中性点箝位型三电平高压变频器实验分析

基于集成门极换向晶闸管(IGCT)串联的中性点箝位型三电平高压大功率变频器中,变频器直流环节(包括限流电感、箝位电容及限流电阻)参数设置合理与否关系到高压变频器的安全运行。文中分析了直流环节的时间常数大于和小于脉宽调制的死区时间的IGCT开关特性,从而得出在直流限流电路的时间常数小于PWM调制的死区时间,IGCT开通时的di/dt相对较小,反之,则di/dt相对较大并有可能损坏器件。通过简化实验电路来模拟三电平高压大功率变频器换流过程,实验结果验证了当直流限流电路的时间常数小于PWM调制的死区时间时,开关管的di/dt较小。

4.5kV/4.0kA 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5SHY35L4503的4.5kV/4.0kA)集成门极换向晶闸管IGCT(IntegratedGateCommutatedThyristor)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IGCT的大功率五电平中点钳位/H桥变流器

将三电平中点钳位(NPC)交直交变流技术和H桥级联技术相结合的五电平NPC/H桥变流器可以实现更高等级的输出电压和容量。该文研究基于集成门极换向晶闸管(IGCT)的大功率五电平NPC/H桥变流器的主电路拓扑结构,并采用模块化结构设计方式减少了杂散参数。在变流器输出中低频时采用一种改进型载波层叠正弦脉宽调制(IPD-SPWM)方法,并提出一种解决低调制度时最小脉宽问题的方法。在变频器输出高频时采用特定谐波消除脉宽调制(SHEPWM)方法来减小输出电压的总谐波畸变率(THD),并给出计算的开关角度轨迹。实验结果验证了该文研制的变流器所采用的拓扑结构设计和调制方法的可行性,表明变流器达到了设计要求,具有良好的性能。

50MVA STATCOM的链节及其背靠背额定工况运行试验

上海西郊变电站的50MVA新型静止无功发生器(StaticvarCompensator,STATCOM)装置采用基于IGCT器件的链式逆变器,每相由10个IGCT单相逆变器(链节)串联而成并输出10kV线电压,IGCT器件容量为4500V/4000A。为了有效地验证链节在额定工况下运行时IGCT压装及连接工艺、控制电源、控制、保护、冷却、电磁兼容等方面的设计是否达到了技术标准的要求,需要对链接进行额定工况运行试验。试验时两个被试验链节输出通过一个连接电抗相连,通过控制两个链节输出电压相位角来控制链节间交换的无功功率方向和大小,损耗由连接到其中一个链节的直流电容的外接直流电源提供。文中给出了链节原理及其设计、背靠背试验原理以及试验结果。试验结果表明链节设计达到了链式STATCOM技术标准的要求。

IGCT器件的计算机模拟

对IGCT器件的主体GCT部分进行了工艺模拟 ,包括一维模拟与二维模拟 ,对工艺流程进行了优化设计 ,最后得到了理想的纵向杂质分布及网格划分 。

新型高压大功率器件IGCT的建模与仿真

集成门极换向晶闸管(IGCT)是新型电力半导体开关,具有耐压高、电流大、开关频率高、开关损耗低等优越性能,尤其适用于高压大功率电力电子装置.目前通用电路仿真软件中还没有专门的IGCT仿真模型,不能满足可靠的仿真性能的要求.基于电力电子器件的物理现象,建立IGCT模型的方法有:功能模型法、电学模型法、集总电荷模型法和物理模型法等.对上述几种建模方法分别进行了仿真研究后,对比分析各模型开关动作过程和器件内部物理现象,比较它们之间的优缺点,分析出各种模型的适用范围.

IGCT变频器在矿井提升机调速系统中的应用

着重介绍了IGCT大功率三电平变频器在煤矿主井提升调速系统中的应用,分析了提升机电控系统中运用IGCT三电平逆变器的工作原理。IGCT变频器可以做到大功率、高电压,使提升机电控系统可靠性更高,输入、输出的功率因数为1,减少了电网的谐波污染,使提升效率明显高于同类型设备,能耗大幅度下降。

新型功率半导体器件——IGCT性能研究

在介绍传统 GTO性能的基础上对集成门极可换向型晶闸管 IGCT的性能进行了研究。 IGCT具有传统 GTO和 IGBT的某些优点 。