摘 要：目前柔性直流輸電技術(shù)正朝著更高電壓、更大容量方向發(fā)展，由于絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)電容及容量的限制，往往需要采用IGBT串聯(lián)技術(shù)，在實(shí)際工程中IGBT串聯(lián)閥的可靠性及效率則尤為重要，針對(duì)IGBT串聯(lián)閥可靠性及效率高的要求本文提出了IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)。首先本文分析了IGBT及二極管串聯(lián)電壓不平衡機(jī)理，提出了IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)，分析該控制技術(shù)的基本原理及方法，最后通過(guò)Saber仿真和試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明IGBT串聯(lián)有源自適應(yīng)電壓平衡控制技術(shù)能夠有效地實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡及損耗最優(yōu)控制。
關(guān)鍵詞：柔性直流輸電; IGBT;串聯(lián)均壓;有源自適應(yīng)控制;
0 引言
隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，柔性直流輸電在解決遠(yuǎn)距離，大容量輸電，新能源分布式電源接入，以及特大型交直流混合電網(wǎng)面臨的諸多問(wèn)題時(shí)都將展現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢(shì)。作為新一代直流輸電技術(shù)，柔性直流輸電為電網(wǎng)輸電方式的變革和構(gòu)建未來(lái)電網(wǎng)提供了有效的解決方案，將在提高電網(wǎng)的整體經(jīng)濟(jì)效益及促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展等方面發(fā)揮重要作用[1]。
隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)概念的提出，柔性直流輸電也將朝著更高電壓等級(jí)、更大容量方向發(fā)展。為了滿足電力系統(tǒng)高壓領(lǐng)域應(yīng)用需求，往往采用器件或者集成組件的串聯(lián)、級(jí)聯(lián)技術(shù)。
采用IGBT直接串聯(lián)的換流閥技術(shù)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低、占地面積小、控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)[2];采用換流單元級(jí)聯(lián)的模塊化多電平換流閥技術(shù)具有模塊化程度高，安裝維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn);而采用器件串聯(lián)與換流單元級(jí)聯(lián)的換流閥技術(shù)是目前高壓大容量換流器發(fā)展的方向，很好的解決了高壓環(huán)境下，IGBT器件串聯(lián)數(shù)增大帶來(lái)的應(yīng)力高、均壓難及子單元串聯(lián)數(shù)量大、控制復(fù)雜的問(wèn)題。因此IGBT串聯(lián)技術(shù)仍然是未來(lái)超特高壓直流輸電的核心技術(shù)之一。
在基于晶閘管的特高直流輸電中，往往采用RC阻尼回路解決晶閘管串聯(lián)的電壓平衡問(wèn)題，但是IGBT開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高，采用RC阻尼均壓方案效率較低，在實(shí)際工程中可行性較差，因此需要通過(guò)先進(jìn)的柵極控制實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡[3]。
文獻(xiàn)[4,5]提出了同步控制技術(shù)，瞬時(shí)電壓平衡控制器通過(guò)對(duì)提前開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)管進(jìn)行一定開(kāi)通關(guān)斷的延時(shí)控制，使各管電壓相等。這個(gè)控制器可以采用數(shù)字離散化，保證每個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)同步。文獻(xiàn)[6]提出了通過(guò)增強(qiáng)密勒效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)均壓的方法，如果串聯(lián)支路的某個(gè)開(kāi)關(guān)管提前關(guān)斷，被預(yù)充電后的電容就會(huì)給開(kāi)關(guān)管注入一個(gè)正的脈沖，從而讓電壓均衡的承受在每個(gè)開(kāi)關(guān)管上。文獻(xiàn)[7]提出的有源電壓控制方法讓串聯(lián)的每個(gè)開(kāi)關(guān)管在動(dòng)態(tài)過(guò)程中集電極-發(fā)射極電壓都跟隨同一個(gè)基準(zhǔn)信號(hào)，因此集電極-發(fā)射極電壓的變化并不取決于器件而是取決于參考波形。目前上述方法都能有效地實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡，但是在實(shí)際工程中IGBT開(kāi)關(guān)損耗的優(yōu)化也十分重要，本文提出的有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，在最大程度降低IGBT開(kāi)關(guān)損耗的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)電壓平衡。
1 IGBT串聯(lián)電壓不平衡分析
IGBT串聯(lián)電壓不平衡分為靜態(tài)電壓不平衡及動(dòng)態(tài)電壓不平衡，而由于IGBT開(kāi)關(guān)速度較快，因此動(dòng)態(tài)電壓不平衡是IGBT串聯(lián)需要解決的核心問(wèn)題，同時(shí)與IGBT反并聯(lián)的續(xù)流二極管的電壓平衡控制也是串聯(lián)需要考慮的重要問(wèn)題。造成IGBT串聯(lián)電壓不平衡因素主要分為以下五類：
(1)IGBT漏電流不一致
IGBT漏電流的差異性將導(dǎo)致IGBT斷態(tài)阻抗的不一致，而IGBT關(guān)斷后，由于串聯(lián)器件中流過(guò)的漏電流是相同的，因此不同的斷態(tài)阻抗會(huì)造成IGBT的靜態(tài)電壓不均衡，器件的結(jié)溫同樣會(huì)影響靜態(tài)均壓[8]。
(2)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致和驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)的差異
驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不一致和驅(qū)動(dòng)電路參數(shù)(例如柵極電阻)的差異，將導(dǎo)致IGBT柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的不同步，從而極大地影響了IGBT集電極-發(fā)射極電壓的平衡。關(guān)斷時(shí)，先關(guān)斷的器件會(huì)產(chǎn)生很高的過(guò)電壓，同理開(kāi)通時(shí)滯后導(dǎo)通的器件也會(huì)承受較高過(guò)電壓[9]。
(3)IGBT本身寄生參數(shù)的離散性
器件寄生電感、寄生電容等特性不一致，會(huì)導(dǎo)致不同的開(kāi)關(guān)特性和電壓尖峰，串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過(guò)程中，關(guān)斷速度較快的器件要承受很高的過(guò)電壓，開(kāi)通過(guò)程中導(dǎo)通較慢的器件也會(huì)承受較高過(guò)電壓[10]。
(4)IGBT串聯(lián)閥雜散參數(shù)
IGBT驅(qū)動(dòng)及器件本身對(duì)地及相互之間的雜散電容會(huì)導(dǎo)致IGBT在開(kāi)關(guān)延遲及dv/dt出現(xiàn)明顯的差異，造成IGBT動(dòng)態(tài)電壓不平衡。
(5)反向二極管恢復(fù)特性的差異
IGBT內(nèi)部通常反并聯(lián)一個(gè)快恢復(fù)二極管，在感性負(fù)載情況下，IGBT的開(kāi)通與電感續(xù)流二極管之間存在一個(gè)換流過(guò)程。由于二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題，在IGBT開(kāi)通瞬間，會(huì)在續(xù)流二極管兩端產(chǎn)生過(guò)電壓。同時(shí)由于二極管反向恢復(fù)電荷的差異性，串聯(lián)二極管關(guān)斷時(shí)將會(huì)出現(xiàn)電壓的差異，這也將導(dǎo)致二極管過(guò)電壓。而二極管兩端的過(guò)電壓即IGBT的過(guò)電壓。
2 有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略
通過(guò)文獻(xiàn)[]可知，IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的延遲時(shí)間td及電壓變化率dv/dt，如公式(1)(2)所示
通過(guò)調(diào)節(jié)IGBT柵極電壓，能夠有效地控制IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中的延遲時(shí)間td及電壓變化率dv/dt，實(shí)現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡。有文獻(xiàn)提出的有源電壓控制，通過(guò)閉環(huán)控制讓IGBT集射極電壓VCE快速跟隨參考電壓Vref。當(dāng)IGBT端電壓高于給定電壓時(shí)，產(chǎn)生正門極電壓信號(hào)開(kāi)通IGBT;當(dāng)IGBT端電壓低于給定電壓時(shí)，產(chǎn)生負(fù)門極電壓信號(hào)關(guān)斷IGBT，通過(guò)這種閉環(huán)控制使得與IGBT集射級(jí)電壓能快速跟隨Vref。
Vref分為預(yù)關(guān)斷、主關(guān)斷、斷態(tài)、預(yù)開(kāi)通、主開(kāi)通及通態(tài)六個(gè)階段，結(jié)合公式可知，Vref各個(gè)階段參數(shù)的設(shè)計(jì)將直接影響IGBT串聯(lián)電壓平衡度及開(kāi)關(guān)損耗。預(yù)開(kāi)關(guān)及主開(kāi)關(guān)時(shí)間越長(zhǎng)，IGBT電壓平衡控制度越高，但I(xiàn)GBT開(kāi)關(guān)損耗則相應(yīng)增加;若預(yù)開(kāi)關(guān)及主開(kāi)關(guān)時(shí)間過(guò)短，則IGBT電壓平衡度則較差。因此需要在開(kāi)關(guān)損耗與IGBT串聯(lián)電壓平衡度中尋找最優(yōu)的Vref。
本文提出有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，在有源電壓控制基礎(chǔ)上根據(jù)IGBT串聯(lián)電壓平衡度優(yōu)化Vref，如圖所示有源自適應(yīng)電壓平衡控制主要由兩個(gè)閉環(huán)反饋回路構(gòu)成：IGBT集射級(jí)電壓閉環(huán)控制IGBT集電極-發(fā)射極電壓Vce快速跟隨參考電壓Vref;IGBT集電極-發(fā)射極電壓閉環(huán)優(yōu)化參考波形Vref的預(yù)開(kāi)關(guān)及主開(kāi)關(guān)時(shí)間，優(yōu)化示意圖如圖所示。
3仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
3.1 仿真驗(yàn)證
針對(duì)有源自適應(yīng)電壓平衡控制，在BOOST電路上開(kāi)展兩只IGBT串聯(lián)仿真研究。仿真條件：IGBT關(guān)斷電壓400V，IGBT通態(tài)電流180A，串聯(lián)閥臂雜散電感100nH，IGBT開(kāi)關(guān)頻率1kHz，Vref預(yù)關(guān)斷時(shí)間初值1µs，Vref主關(guān)斷時(shí)間初值1.5µs。
如圖所示，為在不優(yōu)化Vref下兩只IGBT電壓及電流波形，由于Vref預(yù)關(guān)斷及主關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，IGBT預(yù)關(guān)斷時(shí)間接近1µs，關(guān)斷dv/dt為200V/µs，因此IGBT串聯(lián)電壓平衡度很高，但是IGBT關(guān)斷損耗較大，單次關(guān)斷損耗達(dá)198mJ。
如圖所示，為在有源自適應(yīng)電壓平衡控制下兩只IGBT的Vref，從圖中可以看出Vref參數(shù)得到了優(yōu)化，Vref預(yù)關(guān)斷時(shí)間由1µs優(yōu)化到0.5µs附近，Vref主關(guān)斷時(shí)間由1.5µs優(yōu)化到0.4µs附近，由于兩只IGBT特性不同，因此各自IGBT的優(yōu)化后的Vref有所差異。
如圖所示，為在有源自適應(yīng)電壓平衡控制下兩只IGBT的電壓電流波形，與圖相比IGBT關(guān)斷速度顯著提升，IGBT預(yù)關(guān)斷時(shí)間由1µs縮減到0.5µs附近，關(guān)斷dv/dt由200V/µs提高到500V/µs，單次關(guān)斷損耗由198mJ降低到95mJ，與IGBT硬關(guān)斷損耗十分接近。與圖相比，IGBT串聯(lián)電壓平衡度有所降低，但是仍然在預(yù)設(shè)的范圍之內(nèi)。通過(guò)仿真可知，有源自適應(yīng)電壓平衡控制能夠優(yōu)化Vref， IGBT串聯(lián)電壓平衡度在允許等范圍內(nèi)，提高IGBT開(kāi)關(guān)速度，降低IGBT開(kāi)關(guān)損耗。
3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
依據(jù)前面所述有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，開(kāi)發(fā)IGBT智能驅(qū)動(dòng)板如圖所示。IGBT智能驅(qū)動(dòng)板主要包括有源自適應(yīng)電壓平衡控制、故障保護(hù)、通訊編碼、高位取能等功能。
利用FPGA編程設(shè)計(jì)參考電壓波形，如圖所示。預(yù)關(guān)斷時(shí)間初值為4µs，預(yù)關(guān)斷平臺(tái)幅值1.5V，主關(guān)斷時(shí)間初值為1µs，鉗位電壓幅值7V，預(yù)開(kāi)通時(shí)間初值為3µs，預(yù)開(kāi)通平臺(tái)幅值4V，主關(guān)斷時(shí)間初值為2µs。
對(duì)兩個(gè)IGBT串聯(lián)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)電路采用無(wú)源逆變電路，具體參數(shù)如下：直流電壓1000V，負(fù)載電流400A，IGBT開(kāi)關(guān)頻率1050Hz。參考電壓參數(shù)：預(yù)關(guān)斷平臺(tái)時(shí)間4μs，預(yù)關(guān)斷平臺(tái)幅值1.5V，主關(guān)斷時(shí)間1μs，鉗位電壓幅值7V，預(yù)開(kāi)通平臺(tái)時(shí)間3μs，預(yù)開(kāi)通平臺(tái)幅值4V，主開(kāi)通時(shí)間1μs。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4-22所示，關(guān)斷階段IGBT經(jīng)過(guò)2μs關(guān)斷延遲后，兩個(gè)IGBT能夠快速跟隨參考電壓波形，串聯(lián)IGBT電壓平衡性很好，但此時(shí)由于預(yù)關(guān)斷時(shí)間較長(zhǎng)，因此IGBT關(guān)斷損耗也較大，為390mJ。
前面分析可知，預(yù)開(kāi)關(guān)平臺(tái)是用來(lái)彌補(bǔ)IGBT開(kāi)關(guān)延遲不一致導(dǎo)致的電壓不平衡，而過(guò)長(zhǎng)平臺(tái)時(shí)間將會(huì)導(dǎo)致IGBT開(kāi)關(guān)損耗增大，而對(duì)IGBT串聯(lián)均壓卻顯得毫無(wú)意義。當(dāng)采用有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略時(shí)，Vref預(yù)關(guān)斷時(shí)間明顯降低，由4μs降到3μs，此時(shí)IGBT關(guān)斷損耗則由390mJ降到350mJ。
同時(shí)有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略在主關(guān)斷階段，根據(jù)IGBT電壓跟隨情況調(diào)整dv/dt，主關(guān)斷時(shí)間由預(yù)設(shè)的1μs降到0.4μs，IGBT關(guān)斷dv/dt則由500V/μs提升到850V/μs，因此在保證IGBT電壓平衡的基礎(chǔ)上，IGBT關(guān)斷損耗降到了240mJ。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知，有源自適應(yīng)電壓平衡控制能夠優(yōu)化Vref， IGBT串聯(lián)電壓平衡度在允許等范圍內(nèi)，提高IGBT開(kāi)關(guān)速度，降低IGBT開(kāi)關(guān)損耗。
4結(jié)語(yǔ)
在柔性直流輸電工程中，換流閥的可靠性及損耗是其最為重要指標(biāo)。本文在有源電壓控制的基礎(chǔ)上提出的有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，一方面讓IGBT電壓快速跟隨Vref，控制IGBT串聯(lián)電壓平衡度，降低IGBT開(kāi)關(guān)應(yīng)力，提高了換流閥可靠性;另一方面通過(guò)閉環(huán)控制，根據(jù)電壓平衡度優(yōu)化Vref，最大程度降低IGBT損耗。利用該技術(shù)的IGBT串聯(lián)換流閥能夠以較高的可靠性及效率廣泛應(yīng)用于柔性直流輸電、靈活交流輸電等高壓領(lǐng)域場(chǎng)合。
參考文獻(xiàn)
[1] 李庚銀,呂鵬飛,李廣凱,等.輕型高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展與展望[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2003;27( 4):77-81.
[2] 湯廣福，劉澤洪.2010年國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議系列報(bào)道：高壓直流輸電和電力電子技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35(5)：l_4.Environment. IEEE Power Engineering Review,1998,18(8): 19～20.
[3] 金其龍，孫鷂鴻，嚴(yán)萍，等.IGBT 串聯(lián)技術(shù)動(dòng)態(tài)均壓電路的研究[J].高電壓技術(shù)，2009，35(1)：176—180.白杰,電力電子變壓器的應(yīng)用研究[J].電工電氣,2009(11).
[4] Gerster, C: "Fast high-power/high-voltage switch using series-connected IGBTs with active gate-controlled voltage -balancing", Conference Proceedings of APEC 1994, vol.1, Page(s): 469 -472.
[5] C. Gerster. P. Hofer, N. Karter. "Gate-control strategies for snubberless operation of series connected IGBTs,"Proceedings of IEEE Power Electronics Specialists Conference PESC'96 Conference, June 1996, Baveno, Italy,pp. 1739-1742.
[6] Consoli, A.; Musumeci, S.; Oriti, G.; Testa, A: "Active voltage balancement of series connected IGBTs",Conference Record of the Industry Applications Conference, Volume: 3 , 8-12 Oct 1995, Page(s): 2752 -2758.
[7] Palmer, P.R.; Githiari, A.N: "The series connection of IGBTs with active voltage sharing", IEEE Transactions on Power Electronics, Volume: 12 Issue: 4, Jul 1997, Page(s): 637 -644.
[8] Saiz, J; Mermet, M; Frey, D; Jeannin, P.0; Schanen, J.L;Muszicki, P; "Optimisation and integration of an active clamping circuit for IGBT series association" Industry Applications Conference, 2001. ConferenceRecord of the Thirty-Sixth IAS Annual Meeting,Volume: 2, 30 Sept.-4 Oct.2001, Pages: 1046- 1051 vol.2.
[9] Sasagawa, K.; Abe, Y.; Matsuse, K.; "Voltage balancing method for IGBTs connected in series", Conference Record of the Industry Applications Conference,, Volume: 4, 13-18 Oct. 2002, Page(s): 2597 -2602.
[10] Raciti, A.; Belverde, G.; Galluzzo, A.; Greco, G.; Melito,M.; Musumeci, S.; "Control of the switching transients of IGBT series strings by high-performance drive units", IEEE Transactions on Industrial Electronics, Volume:48 Issue: 3 ,June 2001, Page(s): 482 -490.
收稿日期：
作者簡(jiǎn)介：
溫家良(1970—)，男，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楦邏褐绷鬏旊姾腿嵝灾绷鬏旊娂按蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。
陳中圓(1988—)，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娮蛹夹g(shù)。
鄒格(1990—)，女，碩士研究生，研究方向?yàn)榇蠊β孰娏﹄娏夹g(shù)及電磁兼容技術(shù)。
