IGBT串联谐振 篇1
在电力有源滤波器、高压微型电网系统和高压变频器等应用场合中, 电压应力很高, 现有单个IG-BT难以直接作为开关器件进行电能处理, IGBT串联方法的研究具有重要理论和实用价值。另外, 在合理选择和设计串联方案时, 用两个较低耐压IGBT串联代替单个相同工艺下较高耐压的IGBT可获得更好的开通、关断特性[1]。
IGBT串联的实现主要需要解决静、动态均压问题。导致IGBT电压分配失衡的主要原因有:IGBT自身参数差异, 驱动信号不同步和辅助电路及元件的影响。文献[2]所介绍的主从控制均压方法和文献[3]所提出的跟随参考均压方法对采样电路和集成控制电路精度与速度要求很高, 电路复杂, 可靠性低。驱动端RCD主动均压方案[1,4,5]电路结构较为简单、均压效果较好, 但该方案不适宜做成集成电路, 其辅助电路中的电容减慢了IGBT的开关速度, 同时电阻则增加了损耗。变压器耦合驱动均压法[6,7]能有效抑制由于驱动信号不同步而引起的电压不均衡, 但对其他原因所引起的电压失衡不起作用, 并且变压器为非标器件, 制作复杂且难以集成, 在多管串联时, 由于相邻两个IGBT的驱动端之间均需接入变压器进行耦合, 结构复杂、体积较大。
本文提出了一种新颖的具有良好动态均压效果的IGBT串联电路, 并且由于不含磁性元件和大电容, 易于做成集成电路形成规模生产, 将串联IGBT及其辅助电路做在同一衬底上有益于减小IGBT特性差异和提高电路工作的可靠性, 该电路外部仅需提供单路驱动信号便能控制各个IGBT的开关动作, 降低了驱动电路的复杂性和成本。
2 电路原理与特性
本文所提新型IGBT串联电路 (包含测试电路) 如图1所示, udr1为开关结构的外部驱动信号, Ucc为外加直流电源, D2、C3构成自举电路, C2、T2、C3、Rb、Rg_on2和ZD2构成Q2的同步开通驱动电路, C1、T1、Rg2和Rg_off2构成Q2的加速关断电路, ZD1用于钳位Q1的集射极电压, ZD4、D3和R1构成Q2的过压保护电路。
由于做在同一衬底上的IGBT一致性较好, 且为了分析方便, 本文假设IGBT开关Q1、Q2特性相同。且取Rg1=Rg_on2=Rg_off2=Rg。
2.1 开通过程分析
开通过程中, 所提IGBT串联电路的关键参量波形如图2所示。
稳态工作条件下, 新型双IGBT串联电路开通过程如下:
t0之前:Q1、Q2均处于关断状态, Q1、Q2集-射极电压uce1、uce2分别为稳压管ZD1的钳位电压值UZD1和 (Udc-UZD1) 。
[t0, t1]:t0时刻, Q1驱动信号udr1由低电平变成高电平, 由于电容C2的耦合作用, udr1同时驱动开通三极管T2, 电容C3经三极管T2和电阻Rg_on2对Q2栅极进行充电, Q1、Q2栅-射极电压uge1、uge2同步上升。
[t1, t2]t1时刻, uge1、uge2基本同时升至IGBT门槛电压UT, 此后Q1、Q2集电极电流ic1、ic2开始进入上升阶段。
[t2, t3]t2时刻, 二极管D上的反向恢复电流达到峰值, ic1、ic2也随之达到峰值。此后uce1、uce2开始下降, uge1、uge2在D反向恢复过程结束后出现密勒平台。电容C1、C2电压跟随uce1而下降, 放电电流经Q2栅极经Q2反向传输电容Cres先后流入Q2和Q1的集电极, 设计C3电压与T2饱和集-射极压降之差为Ug, 由IGBT栅-射极电压值与实际流入集电极电流大小的关系, 可求出平台电压Uger1、Uger2:
式中
其中, gfe为IGBT跨导;Coes为IGBT输出电容。
uce1和uce2处于下降阶段时, 由于电容C1、C2及IGBT相关寄生电容的放电作用, ic1和ic2大于负载电流IO。
[t3, t4]t3时刻, uce2下降为正向导通压降, uge2在电容C1、C2和C3的作用下继续上升。
[t4, t6]t4时刻, uce1下降为正向导通压降, 此后uge1重新进入上升阶段, 而uge2则在C3作用下继续上升, uge1和uge2分别于t6和t5时刻基本升至驱动电压幅值Ug。
2.2 关断过程分析
关断过程中, 所提IGBT串联电路的关键参量波形如图3所示。
稳态工作条件下, 新型双IGBT串联电路关断过程如下:
[t0之前]:Q1、Q2均处于导通状态, uge1=uge2=Ug, ic1=ic2=IO。
[t0, t1]:udr1由高电平变成低电平, uge1逐渐下降, 此段时间内Q1、Q2依然处于通态。
[t1, t2]:该阶段中Q1工作于有源区, uce1上升, uge1保持为Ugef1不变。C1、C2处于充电状态, 三极管T1开通, Q2输入电容经三极管T1和电阻Rg_off2所构成的支路放电, 加快Q2栅极电荷释放速度。由于C1、C2与Q1相关寄生电容的分流作用, ic1、ic2均略有减小。平台电压Ugef1可表示为:
[t2, t3]:在t2时刻, uge2下降至平台电压Ugef2, 此后uce2上升, Q2工作于有源区, 平台电压Ugef2可表示为
式中, UT1_ec为T1射-集极饱和压降。
[t3, t4]:t3时刻, uce1幅值几乎等于UZD1, 此后ic1开始减小, ic2与ic1的电流差值流过Q2栅极和稳压管ZD1, uce2继续上升, uge2和ic2均有所下降。
[t4, t5]:t4时刻, Q1与Q2集-射极电压之和升至Udc, 此后uge2在ic2与ic1差值作用下下降, ic2跟随uge2而下降。
[t5, t10]:uge1和uge2分别在t5和t6时刻降为UT, Q1和Q2相应进入拖尾电流阶段并分别于t9和t10时刻结束, 在t7与t8时刻, uge2与uge1分别降为零。
稳压管ZD1控制了Q1与Q2在关断结束时刻的电压分配, 由于此时两IGBT承受电压未必相同, 且实际器件特性存在差异, Q1和Q2的集电极漏电流不相等。若Q1漏电流较大, 则uce1减小, 此时T2在C2的驱动作用下开通, C3重新对Q2栅极注入电荷, Q2趋于导通, 集电极电流增大至与Q1漏电流相等, 因此uce1变化量很小;若Q2漏电流大于Q1, 则多余的漏电流经ZD3流入ZD1, uce1保持不变。为了保证串联IGBT高可靠性, 可于Q2集电极与发射极之间并联电阻以等效提高Q2集电极漏电流。
3 仿真分析
应用仿真软件PSPICE在500V输入、1000V/10k W输出的电感电流连续模式 (CCM) Boost DC-DC电路环境下对所提电路进行原理仿真。开通和关断过程的仿真波形如图4所示。
由图4 (a) 可看出Q1、Q2几乎同时开通, 开通过程中IGBT集-射极所出现的电压尖峰很小。
4 硬件实验
将新型串联电路应用于交流480V输入、800V/500W输出的CCM Boost功率因数校正 (PFC) 变换器中进行实验测试, 所选用的控制芯片为UCC28019A, 串联结构的IGBT选用IR公司生产的IRG4PC30W, 耐压为600V, 硬开关最高工作频率为150k Hz, 选取C1=C2=47p F, C3=2.2μF, UZD1=400V, T1选用8550, T2应选用高放大倍数的三极管, 本实验中以两个NPN三极管2N4401连接成达林顿结构代替。
图5给出了开关过程中, Q1栅-射极驱动电压uge1与总集-射极电压 (uce1+uce2) 的实验波形。图6给出了开关过程中两IGBT栅-射极驱动电压与各自集-射极电压波形, 由于Q2发射极电位高频高压跳变且uge2电压等级较低, 实验测量所存在的误差较为明显, 所测波形中uge2的上升下降过程出现的过冲电压实际并不存在。
5 结论
本文提出了一种新型IGBT串联电路, 分析了该电路的工作过程, 应用仿真软件PSPICE进行原理仿真, 构建硬件电路进行实验研究, 由计算机仿真和硬件实验结果均可看出所提方案具有良好静态分压和动态均压效果, 开关特性良好。
参考文献
[1]Busatto G, Abbate C, Iannuzzo F, et al.High voltage, high performance switch using series connected IGBTs[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25 (9) :2450-2459.
[2]Githiari A N, Palmer P R.Analysis of IGBT modules connected in series[J].IEE Proceedings Circuits, Devices and Systems, 1998, 145 (5) :354-360.
[3]Palmer P R, Githiari A N.The series connection of IGBTs with active voltage sharing[J].IEEE Transactions on Power Electronics, 1997, 12 (4) :637-644.
[4]Baek J W, Yoo D W, Kim H G.High voltage switch using series-connected IGBTs with simple auxiliary circuit[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2001, 37 (6) :1832-1839.
[5]Ning Dalong, Tong Xiangqian, Shen Ming, et al.The experiments of voltage balancing methods in IGBTs series connection[A].2010 Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC) [C].2010.1-4.
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串联谐振耐压试验涡流研究 篇2
关键词：交联聚乙烯电缆；涡流损耗；耐压试验；串联谐振；电抗器 文献标识码：A
中图分类号：TM154 文章编号：1009-2374（2016）15-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.15.007
随着长治电网的改造和发展，聚乙烯电缆越来越广泛地用于变电站的35kV和10kV出线间隔中。但是电缆长度增加，工频耐压试验设备的容量满足不了现场的试验要求，直流耐压与电缆的运行工况有所差异，串联谐振设备由于电源容量小、耐压与运行工况相似等优点，越来越多地应用于电缆的交接耐压试验中，但串谐设备应用中存在的一些问题不容忽视。
1 现场交流耐压试验方法
交流耐压试验是电气设备交接试验中考察电气设备绝缘的最重要、最关键的一环，现场实际中应用最广泛也最经典的主要有以下两种交流耐压试验方法：
1.1 工频耐压试验
电气设备耐压试验时常表现为一种容性设备，容性设备的电容量较小时，工频耐压试验是最佳的耐压试验方法，工频耐压试验时的电压、波形、频率和被试电气设备内部绝缘的电压分布，均符合实际运行工况，因此能有效发现电气设备内部绝缘缺陷，是保证电气设备安全运行最为行之有效的方法之一。工频耐压设备一般较大，电压较高，耐压器一般处于空载运行状态，因此短路电流较小，能满足变电站内小电容量的被试设备的耐压要求。
1.2 谐振耐压试验
谐振耐压试验是近工频耐压试验，频率在30～300Hz范围内，耐压试验电气设备绝缘内部的电压分布和运行工况类似，在工频耐压器容量不够时代替工频耐压试验。谐振耐压试验分为工频谐振耐压和变频串联谐振耐压试验方法。工频谐振耐压试验主要为调节电感，但操作繁琐，不宜现场使用。变频谐振耐压试验有效地避免了以上两种耐压试验的缺点。另外变频谐振耐压试验还有以下优点：
1.2.1 装置体积较小，频率调节简单，所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q，Q为系统的品质因数，一般在20～30之间。
1.2.2 改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效地防止了谐波峰值对试品的误击穿。变频串联谐振耐压试验装置防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍，所以串联谐振能有效地找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。
1.2.3 变频串联谐振耐压试验装置不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，不会出现任何恢复过
电压。
2 变频串联谐振试验系统
变频串联谐振耐压试验装置由变频电源、励磁变压器、避雷器、高压电抗器和电容分压器组成，通过改变试验系统的电感量和试验频率，使回路处于谐振状态，此时电路阻抗Z（f0）=R为纯电阻，电压和电流同相。这样试验回路中试品上的大部分容性电流与电抗器上的感性电流相抵消，电源只提供回路中消耗的有功功率的能量。被试电气设备的电容量为C，电感为L，则谐振频率为：
VF：变频电源；T：励磁变压器；MOA：避雷器（与励磁变压器做成一体）；L：电抗器组合；CF：电容分压器；Cx：被试电气设备
3 案例详述及分析
2013年4月1日在长治市110kV文王山站35kV潞宝兴海Ⅱ回电缆进线交接耐压试验，该间隔为两条并联使用的三芯电缆，截面积为300mm2，单根电缆长度为1.3km。两条电缆并联起来的电容量为：
单节电抗器的电感值为52.5H，额定容量为55kVA，额定电压为26kV。将电抗器两串四并后，考虑到电抗器之间的互感系数，则系统总电感值为：
根据频率式（1），有系统谐振时f0=41.5Hz。于是，一次电流I=2·π·f·C·U=6.7A，考虑到电抗器和励磁变的电阻损耗以及引线和其他电晕损耗，实际的一次电流达到8A。
电缆的A相耐压时，电抗器置于车厢的铁板上。电抗器两串四并，考虑到电抗器间的互感关系，两节串联电抗器的电感就增加了一倍多，每两件电抗器就形成了一个通电密绕螺旋管，虽然每两节电抗器距铁板大概有10cm的空气间隙，加上1cm的绝缘胶垫，构成了较大的空气漏磁通，但由于下面的地槽是铁板制成，铁的导磁率远大于空气，这样在铁板和电抗器间形成了一个较强的磁场，于是铁板上形成了较大的涡流，功率损耗就非常巨大。发现该问题后，把电抗器移到地面上做B、C相的试验，仪表盘上的功率损耗降为原来的1/2。这样大的功率损耗一方面使得变频串联谐振系统的品质因数大大降低；另一方面对该系统的长时间运行有着不可估量的损害。
4 结语
对于长距离大电容量的电缆交接耐压试验，工频耐压由于试验变压器容量太大，且电源容量也非常大，这在现场均难以满足或者非常不便，推荐使用变频串联谐振系统进行谐振耐压试验，但是试验方法不当造成的涡流损耗必须极为重视，否则，轻则造成能源不必要的浪费，重则影响到品质因数降低，试验电压达不到规定值，无法顺利地完成耐压试验。
参考文献
[1] 周泽存，沈其工.高电压技术[M].北京：中国电力
出版社，2005.
[2] 邱关源.电路[M].北京：高等教育出版社，1996.
[3] 李中胜.串联谐振耐压试验中电抗器的组配验算[J].
湖南工业职业技术学院学报，2014，（2）
作者简介：谢云飞（1983-），男，山西省电力公司长治供电公司工程师，硕士，研究方向：电气试验与状态检修；吕永红（1973-），男，山西省电力公司长治供电公司高级技师，研究方向：电气试验工作与状态检修；吴怀玉
（1968-），男，山西省电力公司长治供电公司高级工程师，研究方向：检修及电气试验监督；宁晋峰（1961-），男，供职于山西省电力公司长治供电公司，研究方向：检修及电气试验监督；吴斌（1981-），男，山西省电力公司长治供电公司工程师，研究方向：绝缘监督。
IGBT串联谐振 篇3
变频串联谐振电缆交流耐压试验装置在电力系统中应用的优点
串联谐振试验装置是做什么的呢？该装置主要针对220kV高压套管、隔离开关的交流耐压试验，220kV主变的交流耐压试验设计制造。具有较宽的适用范围，是地、市、县级高压试验部门及电力安装、修试工程单位理想的耐压设备。该装置主要由变频电源、励磁变压器、电抗器、电容分压器组成。湖北仪天成电力设备有限公司就YTC850串联谐振试验装置做以下讲解。
1、所需电源容量大大减小。串联谐振电源是利用谐振电抗器和被试品电容谐振产生高电压和大电流的，在整个系统中，电源只需要提供系统中有功消耗的部分，因此，试验所需的电源功率只有试验容量的1/Q。
2、设备的重量和体积大大减少。串联谐振电源中，不但省去了笨重的大功率调压装置和普通的大功率工频试验变压器，而且，谐振激磁电源只需试验容量的1/Q，使得系统重量和体积大大减少，一般为普通试验装置的1/10。
3、改善输出电压的波形。谐振电源是谐振式滤波电路，能改善输出电压的波形畸变，获得很好的正弦波形，有效的防止了谐波峰值对试品的误击穿。
4、防止大的短路电流烧伤故障点。在串联谐振状态，当试品的绝缘弱点被击穿时，电路立即脱谐，回路电流迅速下降为正常试验电流的1/Q。而并联谐振或者试验变压器方式做耐压试验时，击穿电流立即上升几十倍，两者相比，短路电流与击穿电流相差数百倍。所以，湖北仪天成电力设备有限公司
串联谐振能有效的找到绝缘弱点，又不存在大的短路电流烧伤故障点的忧患。
5、不会出现任何恢复过电压。试品发生击穿时，因失去谐振条件，高电压也立即消失，电弧即刻熄灭，且恢复电压的再建立过程很长，很容易在再次达到闪络电压前断开电源，这种电压的恢复过程是一种能量积累的间歇振荡过程，其过程长，而且，不会出现任何恢复过电压。