IGCT在极低频大功率发射机中的应用＊

胡金喜 查 明 潘 锐 刘 庆

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079）

1 引言

20世纪五、六十年代，美、苏等国的科学家就开始了极低频（0.1～30Hz）电磁技术研究，主要用于陆地指挥中心与深水潜艇之间的通信，随着科技的进步和更深入的研究，现在很多国家已经将此项技术应用到地球物理和地震预测等领域。几年前，多家单位联合向国家发改委申请“极低频探地（Wireless Electro Magnetic，WEM）工程”项目，拟在我国建造首座民用大功率极低频发射台，形成基本覆盖我国国土和领海区域的高信噪比电磁波信号，开展地下资源探测和地震预报等方面的探索性研究和工程试验研究，为相关领域的前沿科技研究提供新的技术手段和开放性的公共服务平台［1～4］。

在WEM 项目中，极低频大功率发射机是整个发射台中的核心设备，其中，功率放大器的研制是发射机系统中的最为关键的技术之一，系统相关参数计算、电路形式的构成、元器件的选型、冷却方式和结构组成等诸多因素均关系到系统的效率、精度、安全性、可靠性和稳定性等多项功能或性能技术指标。早期大功率发射机功率放大器选用电子管作为主功率器件，随着电力电子技术的发展，半导体功率器件层出不穷，其组成的固态发射机优越性远远超过了电子管发射机［5～6］。

现在市场上可以用于极低频发射机的电力电子器件非常多，从天线负载的阻抗值、功率等级、工程的性价比、系统效率、可靠性和工程技术难度等多个方面进行考虑，另外，见于目前市场上的集成门极换流晶闸管（IGCT，Integrated Gate Commutated Thyristors）单只模块容量大（工作电压可达6kV，工作电流可达4kA），激励信号接口应用方便，故本工程就选用IGCT 作为功放电路的主功率器件。本文结合固态大功率发射机功放电路的基本原理和IGCT 器件的优越性能，介绍这种器件在WEM 中的工程应用［7～8］。

2 发射机功放原理

一般的，固态大功率发射机功率放大器的基本原理是：采用如图1所示的电路，由A1、A2、B1和B2四只可控功率器件组成一个“H”形单相逆变桥，通过控制功率器件门极驱动信号与激励源的时序一致，依次开通（或关断）四只功率器件，形成丁类开关式放大［9～10］。然后，用大容量的电容器组与天线回路的感抗进行调谐，通过馈线将大功率载波信号传输到极低频天线负载上，载波能量向空间辐射。简化原理如图1所示。

图1中，对角的两只功率器件（A1和B1，A2和B2）同时导通和关断。同一侧（A1和A2，B1和B2）的器件交替导通和关断，且激励信号相差180°，即当上边的器件关断（导通）时，下边的就导通（关断）。因此A、B 两点之间的电位按照激励源输入的激励信号设定的频率（或脉宽），轮流在直流电源的“＋”和“－”之间切换，输出至天线负载上的电流和电压方向会根据信号源时序而交替变化，从而实现小信号的功率放大。

图1 发射机功放简化原理图

3 IGCT的特性和工程选型

IGCT 是一种用于巨型电力电子成套设备中的新型电力半导体器件。IGCT 使变流装置在功率、可靠性、开关速度、效率、成本、重量等方面都取得了巨大进展，给电力电子成套装置带来了新的飞跃。IGCT 是将GTO 芯片与反并联二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶体管低通态损耗的优点，在导通阶段发挥晶闸管的性能，关断阶段呈现晶体管的特性。IGCT 具有电流大、电压高、开关频率较高、可靠性高、结构紧凑、损耗低等特点，而且制造成本低、成品率高。通用型IGCT 实物图如图2所示。

由第二章的原理并结合工程中天线负载阻抗范围和最大输出功率值等参数进行计算得到功放电路接入阻抗范围为5～20Ω；功放最大输出电流为300A，最高输出电压为3000V，功放输出容量约为1.0MVA。

图2 通用型IGCT 实物图

4 IGCT 门极接口电路及故障诊断［11～12］

IGCT 门极单元的内部组成和外部接口关系图如图3所示。门极单元的印制板电路直接与GCT的三个电极压装连接，此结构可以大大减小类似器件引线上的分布电感。门极单元对外接口有驱动电源接口和信号接口。

图3 IGCT 门极单元内部组成及接口

在发射机的H 桥式功放电路中，每个IGCT的门极单元电位不同，所以供给驱动的电源需要采取隔离措施。根据不同场合的应用所需的隔离电压等级不一样，本工程中选用专用隔离电源，输入电压24V，输出电压为直流35V，输入输出之间的隔离电压大于10kV。

门极单元驱动的激励信号（CS）和状态反馈信号（SF）均采用光接口，信号的接收和发送均通过光纤实现传输，这样就增强了门极单元驱动信号的抗干扰能力，同时具有良好的绝缘性。根据厂家提供的CS和SF时序关系，发射机控制检测电路实现供电故障、门极－阴极开路、门极－阴极短路和输入／输出不符等多种保护。

根据器件资料以及进行试验测试，归纳不同状态类型下IGCT 门极单元的SF与CS关系如下：

1）IGCT工作正常时，SF与CS反向且延时约为7～15μs；

2）IGCT 供电欠压或过压时，SF 与CS同相且延时约为7～15μs；

3）IGCT 开路或CS持续低电平时，SF 为持续高电平（发光）；

4）IGCT 门极－阴极短路时，SF 为持续低电平（不发光），不受CS影响；

5）IGCT 故障或与CS信号不符时，SF与CS之间的时序关系变化由具体故障情况决定。

反馈信号SF工作状态类型与控制信号CS直接的时序图如图4所示：

图4 IGCT 门极单元SF与CS状态类型时序

根据上述五种类型的工作状态反馈信号SF 与CS之间的时序关系，控制检测电路对其进行逻辑处理，输出工作状态信息和发出控制指令，一旦检测出故障即可切断主电路直流电源的接入开关并闭锁IGCT的激励信号。

另外，门极单元尾部设置4个发光二极管，用视觉反馈来显示IGCT 工作状态，用户可以直接通过观察4个二极管的发光情况来分析故障原因，如图5所示。

根据CS和SF时序关系和LED 状态指示灯信息列出表1所示的IGCT 工作状态诊断表。

图5 IGCT 发光二极管状态指示灯示意图

5 IGCT 阀串压装

通常，工程上IGCT 都是采用紧固件、反并二极管和冷却水包压装成阀串，再通过母线排进行连接。

为了达到良好的散热效果，同时又不损伤器件，对IGCT的压装应有以下要求：

1）组件叠放顺序要保证母线排连接最短；

2）压力要符合器件耐机械强度的要求；

3）压装组件要保证器件散热面受力均匀；

4）压装组件要满足电气绝缘的设计要求；

5）使用有效期内，组件有稳定的机械性能；

6）应在设备上的进行安装和维护方便。

表1 IGCT 工作状态诊断表

图6 两只IGCT 在中间的形式阀串压装

图7 两只二极管在中间的形式阀串压装

功放电路的H 桥由两个桥臂（图1中A1A2和B1B2）组成，每个桥臂中含有两个IGCT 和两个反并二极管。为达到上述要求，一个桥臂组成一个阀串，这样，每个阀串包含两只IGCT、两只反并二极管、五只水冷散热器、两个绝缘垫板、4个蝶状簧片和紧固件等。

实际应用时，阀串有两种形式的压装。如图6 和图7所示。

仅仅依靠GCT的压装结构来固定门极单元是远远不够的，还应该在门极屏蔽盒尾部的边缘加固定支撑件。由于两个IGCT的门极之间电位差很大，采用图5形式的阀串两个IGCT 门极间距离太近，难以达到绝缘要求，图6形式的阀串更适合工程应用。

6 结语

我国已经成功引进了IGCT 器件的研制技术，并且有产品投放市场。鉴于IGCT 在电力设备中的广泛应用，另外，IGCT 器件结合了GTO 和IGBT的优点，具有关断能力强、损耗小、可靠性高以及应用简单等特点。本文根据固态大功率发射机功放电路的原理，详细介绍了IGCT 作为主功率器件在WEM 项目功率放大电路中的工程应用。

［1］卓贤军，陆建勋，刘国栋，等.极低频探地（WEM）工程［J］.中国工程科学，2011，13（9）：42－45.

［2］汪萍，常毓文，唐玮，等.中国石油储量现状及变化特点［J］.特种油气藏，2011，18（1）：12－15.

［3］Wang Chengmin，Zhou Shengkui，Zhao Yi，et al.Scientific Train of Thought and Methodological Innovation in the Intelligent Decision Support System for Earthquake Prediction in China［J］.Earthquake Research in China，1990，13（3）：409－417.

［4］石昆法.可控源大地音频电磁法理论与应用［M］.北京：科学出版社，1999.

［5］董颖辉，柳超，翟琦.甚低频固态发射机功率器件分析［J］.现代电子技术，2008（11）：100－102.

［6］（美）Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［7］刘文华，胡雨辰，刘丙，等.IGCT 和IECT—适用于STATCOM的新型大功率开关器件［J］.电力系统自动化，2000（12）：66－70.

［8］P.K.Steimer and H.Gruning，et al.The IGCT－The Key Technology for Low Cost，High Reliable High Power Converters With Series Connected Turn－off Devices.EPE，Trondheim，1997.

［9］陈道炼.DC－AC逆变技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，2003.

［10］刘凤君.现代逆变技术及应用［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［11］谢军，孙忠献，温晓玲.IGCT 在矿井提升机斩波串级调速系统中的应用［J］.煤矿机电，2007（2）：73－74.

［12］B.Φdegard，R.Ernst，Applying IGCT’s，ABB Application Note 5SHY 42L6500，2002（12）.