IGCT中压大功率三电平功率单元试验方法

王建峰，金雪峰，李晓燕，刘娜，鹿洪伟

（天津电气传动设计研究所，天津 300180）

IGCT中压大功率三电平功率单元试验方法

王建峰，金雪峰，李晓燕，刘娜，鹿洪伟

（天津电气传动设计研究所，天津 300180）

介绍了一种适用于由集成门极换流晶闸管（IGCT）构成的三电平大功率中压变频系统相功率单元试验方法。根据该方法构成的试验系统由调压器、整流变压器、二极管整流桥、滤波电容、放电回路以及负载电感和电阻构成，测试中负载两端的电压、电流及频率均灵活可控，可以实现功率单元中单个功率器件或桥臂在多种工况下的开关特性试验，以及功率单元温升试验；该方法实现简单，在功率单元温升试验中，电路中主要为无功交换，系统的有功消耗很小。

三电平；中压大功率；功率单元

1 引言

中高压大容量变频传动系统广泛应用于冶金、矿井提升、造纸、石油开采、船舶推进等多种工业场合［1］。目前大功率变频器的主流型式之一是采用三电平拓扑，与传统的两电平变换器相比，三电平结构具有很多优点，比如：降低了每个功率器件承受的母线电压，因此可用低耐压器件实现高压大功率输出；电平数的增加改善了输出电压波形，减小了谐波畸变；可用较低的开关频率获得相对较好的电压波形，因此开关损耗小、效率高；输出电压变化率较低，改善了装置的电磁兼容性能等［2-6］。

在大功率中压变频器设计中，为了设备制造和使用维护方便，通常按照功能将其相关的功率器件（如电力电子器件、缓冲电路、散热器等）、控制电路、绝缘件和结构件等构成一个模块，称为“功率单元”，3个单相功率单元即构成一套三相大功率变频器。图1所示为一个中点钳位IGCT三电平变频器单相功率单元电气原理图，其中V1～V4为IGCT器件，D1～D4为续流二极管，D5，D6为钳位二极管；LA，LB为di／dt限制电抗器。功率单元设计不仅要考虑电应力、机械应力、热应力等因素，还要保证装置安装更换方便、体积小、外形美观，设计十分复杂。功率单元的性能直接影响变频器的质量和效率，是变频器中最关键的电气部件，因此必须建立相应的试验平台对其电气特性做单独测试。

图1 相功率单元Fig.1 Schematic diagram of the phase power unit

2 试验方法设计

本文所提出的试验方法，可分别完成功率单元的单管开关特性试验、功率单元桥臂开关特性试验、功率单元温升试验。其试验系统原理图如图2所示。

图2 试验系统原理图Fig.2 Schematic diagram of the testing system

图2中，试验系统由开关Q1、调压器T1、开关Q11和Q12、变压器T11和T12、A和B两组二极管整流器、滤波电容CA和CB、放电电路、接地电路、负载和控制设备等组成。利用调压器可以调整中间直流回路的电压，实现在试验电源配电范围内的任意电压下的试验。A、B两组整流电源可以用开关Q11和Q12选通A组、B组或A和B两组同时工作，以满足试验要求。用于试验的负载是带抽头的电感，可以组合为多档不同的负载，以适应不同负载电流试验的要求。

2.1 功率单元的单管开关特性试验

试验过程中通过调整调压器T1，可以进行在配电范围内的任意电压下的功率单元单管开关特性试验，通过测量单管管压降以及流过器件的电流，可以分析得出器件的特性，如暂态过电压等。下面以功率单元额定电压下的单管开关特性试验为例加以说明，试验接线如图3所示。

图3 单管开关特性试验接线图Fig.3 Schematic diagram for single IGCT switching characteristic test

图3a中，Q1，Q11合闸，调压器从零位升压，使A组电容CA充电至额定电压后停止升压；给V1发触发脉冲（其余IGCT封锁），记录其开关过程电压、电流波形，即可得到V1的额定电压开关特性。对V2的测试与V1类似，只需在图3b中将触发脉冲改为V2，即可测试其额定电压开关特性。

同理，V3管额定电压开关特性试验：Q1，Q12合闸；调压器从零位升压，使B组电容CB充电至额定电压停止升压；给V3号IGCT发触发脉冲（其余IGCT封锁），记录其开关过程电压电流波形，即可得到V3的额定电压开关特性。

操作同V3管，只将触发脉冲改为V4，即可测试V4管额定电压开关特性。

上述试验中，调节调压器输出，即可完成相应电压下的单管开关特性试验。

2.2 功率单元桥臂开关特性试验

桥臂开关特性试验图如图4所示。

图4 桥臂开关特性试验图Fig.4 Schematic diagram for bridge arm switching characteristic test

额定电压上桥臂开关特性试验：Q1，Q11，Q12合闸；调压器从零位升压，使A，B组电容充电至额定电压后停止升压；先给V2号IGCT触发脉冲，延时再给V1号IGCT发触发脉冲（V3，V4封锁）；其后封锁V1触发脉冲，延时封锁V2触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定额定电压时功率单元上桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。

额定电压下桥臂开关试验：Q1，Q11，Q12合闸；调压器从零位升压，使A，B组电容充电至额定电压停止升压；先给V3号IGCT触发脉冲，延时再给V4号IGCT发触发脉冲（V1，V2封锁）；其后封锁V4触发脉冲，延时封锁V3触发脉冲，根据该过程输出电压、电流波形，可确定额定电压时功率单元下桥臂开通和关断过程以及缓冲吸收回路特性。

上述试验中，调整调压器输出，可在相应直流电压下进行上、下桥臂的开关过程以及缓冲吸收回路特性。

2.3 功率单元温升试验

温升试验是确定功率单元额定输出能力的主要方法，本文方法可以在较大范围内调节功率单元输出功率，为温升试验提供条件，下面以功率单元额定电压下的温升试验为例加以说明。

根据设计的功率单元额定输出电流选择负载电感值：Q1，Q11，Q12合闸；调压器从零位升压，A，B组电容充电至额定电压后停止升压；按额定频率正弦波电压给定形成PWM（脉冲宽度调制）脉冲信号，控制V1～V4号IGCT的触发脉冲，观测负载电压、电流波形。同时，记录各IGCT、二极管从试验开始至温度趋于稳定期间的管壳温度，通过分析各器件温升，可以确认装置实际出力。

需要强调的是，采用电感作为温升试验负载，其有功功率消耗很小。试验时，只在滤波电容和负载电感间进行无功功率交换而形成负载电流，无功功率不流经变压器，试验过程中变压器只需补充试验装置线路中很小的有功损耗，故容量可以很小，仅为功率单元额定容量的5%以下，因而是一种节能有效的试验方法，同时对电网和其他设备造成影响较小。

3 试验结果

根据文中所提出的试验方法，采用本所自制的大功率三电平拓扑相功率单元测试台对功率单元做了开关特性试验和温升试验，被测功率单元的IGCT器件型号为5SHY35L4510，其电压电流额定为4 500V／4 000A。

图5给出了功率单元的单管开关特性试验结果，试验接线如图3所示，图5中CH1为单个IGCT器件（V1）上的管压降，显示标尺为1 000 V／格；CH4为与CH1对应的器件电流，显示标尺为400A／格。试验时功率单元正组直流电压约为2 400V，稳态器件电流约为1 500A。

图5a为V1管关断时的电压电流变化过程，从中可以看出，器件关断前的管压降非常小，几乎为0；当IGCT开始关断，管压降迅速上升至2 400V，其电流快速下降，并带有拖尾电流，经过约7μs后，电流降至为0；在IGCT电流迅速下降阶段，线路中的杂散电感将产生较大感应电势叠加于IGCT的管压降，即图5a中的第一个过压尖峰，其峰值约2 600V；另外，由于限流电抗LA的储能会通过二极管D7向吸收电容C1充电，于是形成第2个过压尖峰，其峰值约3 000V。吸收电容C1在充电的同时也通过R1放电，稳态时管压降为正组直流母线电压2 400V。图5b为V1管的开通过程，其中IGCT开通后管压降迅速降低，在电感LA的限流作用下，电流以一定的斜率增大，经过大约5μs达到稳态值约1 500A。综合来看，图5所示的IGCT开关过程，其电压、电流均在安全范围变化，器件工作正常。对桥臂的开关特性试验结果与单管测试类似，这里不再给出。

图5 V1管开关特性试验结果Fig.5 Switching characteristic test of V1

图6 功率单元的温升试验波形Fig.6 Waveform acquiring at temperature test

图6给出了功率单元的温升试验波形，图6中CH2，CH3和CH4分别为单元输出电流、输出电压和V1管压降，显示标尺分别为2 000A／格和1 000V／格。试验时在V1，V2管壳和散热器之间埋入热电偶，根据测量得到的各组温度数据，结合相关器件热阻参数，可以推算出各功率器件的结温。

从图6中可以看出，IGCT输出电流有效值约为1 400A，实测点最高温升30.4K，经过推算，冷却水进口水温40℃条件下，被测IGCT器件中的最高结温为103.9℃，IGCT结温最高允许125℃，尚有约21℃安全裕量。因此，被测功率单元输出1 400A是安全可靠的。

需要指出，上述试验结果仅是针对本所功率单元的测试结果，若功率单元的参数设计、结构形式和散热条件不同，则试验结果可能有一定差异。

4 结论

本文提出了一种大功率三电平拓扑结构相功率单元试验的方法，并对试验方法做了详尽说明，该方法可完成多种试验，所需设备简单、成本低、耗能少、对电网影响较小，功能完备，操作方便。通过试验表明，该方法具有较好的实用性及可操作性。

［1］ Haitham A，Joachim H，Jose R，etal.Medium-voltage Multilevel Converters-state of the Art，Challenges，and Requirements in Industrial Applications［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2010，57（8）：2581-2596.

［2］ 马小亮.高性能变频调速及其典型控制系统［M］.北京：机械工业出版社，2010.

［3］ Krug D，Bernet S，Fazel S S，etal.Comparison of 2.3kV Medium-voltage Multilevel Converters for Industrial Medium-voltage Drives［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，2007，54（6）：2979-2992.

［4］ Franquelo G，Rodriguez J，Leon J，etal.The Age of Multilevel Converters Arrives［J］.IEEE Trans.on Industrial E-lectronics，2008，2（2）：28-39.

［5］ 薄保中，刘卫国，罗兵，等.多电平逆变器PWM控制方法的研究［J］.电气传动，2005，35（2）：41-45.

［6］ 袁立强.基于IGCT的多电平变换器若干关键问题研究［D］.北京：清华大学，2004.

Testing Method for IGCT Based Three-level Power Unit Used in Medium-voltage High Power Converter

WANG Jian-feng，JIN Xue-feng，LI Xiao-yan，LIU Na，LU Hong-wei

（TianjinDesignandResearchInstituteofElectricDrive，Tianjin300180，China）

A characteristics testing system for power unit of three-level（TL）medium voltage high power converter，which uses intergrated gate commutated thyristors（IGCT）as power switching devices，was proposed.The system consists of a variac，rectification switchgears，diode-rectifier，filter capacitors，discharging circuit，and inductive load.During test，the magnitude and frequency of voltage on load can be flexibly controlled.Therefore，switching characteristic test for the single device，leg，or whole unit，and the temperature rise test of the unit can be done under various desired operating mode.In addition，there is mostly reactive power flowing in the circuit.Active power loss of the system is very limited.

three-level；medium-voltage and high power；power unit

TM406

A

王建峰（1967-），男，高级工程师，Email：wangjianfeng＠tried.com.cn

2012-02-02