论文部分内容阅读
20世纪90年代，ABB公司在门极可关断晶闸管(Gate Turn-off Thyristor，GTO)基础上进行了技术革新，借助透明阳极、缓冲层结构及门极硬驱动技术开发出集成门极换流晶闸管(Integrated Gate Commutated Thyristor，IGCT)。对比GTO而言，IGCT具备更优良的关断特性，消除了GTO关断暂态晶体管与晶闸管并存状态，极低的门极驱动关断电路集成电感使其关断时无需缓冲吸收电路，具备良好的稳定性，且继承了GTO的大功率处理能力，使其在中高压变流装置及相关设备中得到广泛应用。目前为止，在电气领域广泛应用的商业仿真软件如Saber、Matlab、Spice和Psim等模型库中均未包含IGCT，使含IGCT变换器的仿真研究极为不便，故建立适于电路仿真的IGCT高精度模型具有重要意义。 本文以IGCT动静态运行特性及IGCT驱动电路与IGCT变流器基本电路单元为研究对象，对IGCT物理建模方法、模型参数的提取、驱动关断电路及续流回路参数提取、变流器箝位电路分析及参数设计等方面进行了深入研究，具体研究内容概括如下: (1)提出了一种基于改进型傅里叶级数法的IGCT电路模型，包括N缓冲层、N基区非耗尽区、N基区耗尽区、P基区、模型压降、器件结温等子模型，改进后的模型提高了模型精度的同时兼顾了仿真速度。改进措施主要包含以下三个方面:首先，基于现有方法提出了改进型傅里叶级数法，增加了积分环节与模糊化环节，确保关断暂态电压上升率与实验结果高度一致的同时，大幅减小了断态电压振荡及漏电流，且延长了模型关断存储时间，提高了模型关断暂态及断态精度;其次，根据IGCT工作特性区分了N基区非耗尽部分的大小注入状态，并对应不同的ADE及边界条件，减小拖尾电流的同时缩短了拖尾时间，提高了模型关断电流拖尾阶段精度;最后，用双曲正弦假设代替线性假设建立了P基区子模型，使P基区少子浓度计算更直观、物理意义更明确，且使模型关断特性与实际情况相符，实现了关断时的先换流、后承压，增加了模型关断存储时间，有利于提高关断电流下降阶段精度;该改进模型的仿真结果与实验结果在模型关断暂态及断态阶段均实现了较好了拟合，实现了对现有模型精度的改善。 (2)本文充分考虑了IGCT结构特点及其运行特性对参数提取的影响，结合理论分析、实验提取、实物测量及经验估算，在已有参数提取方法的基础上，提出了一种适用于基于改进型傅里叶级数法的IGCT电路模型的参数提取方法:利用IGCT数据手册及理论分析提取了N基区宽度与掺杂浓度;借助IGCT限流箝位感性负载测试平台，获取了不同电压及电流等级的IGCT开关暂态波形，并通过实验结果直接或间接提取了N缓冲、N基区及P基区过剩少子寿命，以及P基区宽度;结合实物测量与经验取值，获取了IGCT电路模型所需的有效面积、封装结构参数等其余各部分参数。搭建了具备感性负载的箝位电路测试平台，用于参数提取及提取方法验证，将采用本文方法提取的模型参数用于上述IGCT电路模型，进行电路仿真分析，所得IGCT模型仿真结果与实验结果高度拟合，验证了本文参数提取方法的正确性。确保了IGCT高精度模型参数的准确性，为IGCT精确模型研究提供了重要保障。 (3)基于IGCT关断暂态换流机制及反并联二极管的工作原理，提出了IGCT关断暂态时门极换流晶闸管(Gate Commutated Thyristor，GCT)、驱动电路与反并联二极管所构成续流回路的等效电路，详细分析了反并联二极管不同工况时等效电路结构及其运行特性的变化。结合IGCT关断暂态其端电压及等效电路各支路电流的实验结果，给出了IGCT驱动关断电路及续流回路参数的提取方法。通过不同箝位电压与关断电流时实验结果与理论分析的对比，并考虑参数提取结果的一致性，充分证明了等效电路与理论分析的正确性及参数提取方法的有效性。提供了通过实验结果即可同时提取关断驱动电路及续流回路参数的方法，实现了对驱动电路实际工况关断性能的检测，利于IGCT的安全运行，对驱动电路的研究及改善工作具有指导意义。 (4)在深入分析箝位电路工作原理的基础上，考虑了电路杂散电感对电路参数设计的影响，结合理论与实验分析所得限制条件，提出了基于优化非线性不等式约束问题的箝位电路参数设计方法，简化了箝位电路参数优化设计过程，确保IGCT的安全运行。结合设计实例，通过优化设计值、仿真分析与实验结果的对比，验证了参数设计及分析方法的有效性，并通过实验分析及与现有方法的对比，证明了该方法的优越性。