[摘 要]针对IGCT是高压大功率逆变技术的主要器件，提出了将IGCT等效为开关信号延时电路、开通暂态电路、关断暂态电路和稳态电路四个电路，构建了IGCT的电路及模型，并分析了高压变频调速系统中常见的三电平主电路结构以及优缺点。

[关键词]逆变技术;IGCT;特性分析;建模;变频调速

[中图分类号]TM464 [文献标识码]A

1 引言

根据有关统计，随着工业生产和国民经济的迅速增长，全国能源消费量平均年增长为5.2%，现有风机、泵类等通用机电设备年均耗电量约占工业总耗电量的50%。因此工业用电节能的重点就是减少或降低风机、泵类等常用设备的耗电量。变频调速技术对于节能具有重要的意义。

节能的一项重要技术就是逆变技术的变频调速，而高压大功率逆变技术的主要器件就是IGCT。因此研究逆变技术在高压变频调速系统中的应用是非常必要的。

随着电力电子技术及电力半导体器件在高电压、大电流、高频率、模块化等方面水平的提高，电动机变频调速装置特别是高压变频调速装置从本质上改变了异步电动机传统的控制方式，其节能效果明显、可靠性高、操作简单、启动电流小、功率因数高，调速特性优良、保护功能完善、容易实现自动调节控制等优越的特性被越来越多的用户青睐。

因此，研究逆变技术在高压变频调速系统中的应用具有重大理论意义和实用价值。

2 IGCT特性分析

2.1 IGCT的结构

IGCT，即集成门极换流晶闸管，是集成门极驱动和门极换流晶闸管的总称。而GCT则是基于平板型电力晶体管（GTO）的器件，如图1所示。IGCT在其阴极串联25只N沟道MOSFET管，在其门极串联7只P沟道MOSFET管充当ZENER管的功能，其等效原理如图2所示何意。

2.2 IGCT的动作原理

与GTO相比较，IGCT的导通机理相同，而关断机理则大为不同。IGCT的工作主要取决于GCT的工作过程，因此IGCT的动作原理可以像GCT那样，近似地用两个晶体管的动作过程来描述，如图3所示。

在开通时，正强电压初期瞬时施加于门极，GCT呈现NPN晶体管状态，此时，晶体管作用占优。导通之后，强烈的正反馈作用使两个晶体管都达到饱和导通状态。因此，可将GCT的导通状态等效地看作类似晶闸管一样的正反馈开关。可见，IGCT具有导通能力强、通态压降低的突出优点。

IGCT的开关速度可比普通GTO快10倍。这是由于IGCT在关断时采用了去“GTO区”技术，即在阴极NPN晶体管完全停止注入电荷之前，整个阳极电流由阴极迅速转向门极。因此可以等效地认为GTO没有中间区，即无缓冲关断。

IGCT处于关断状态时，GCT门极、阴极PN结提前进行反向偏置，并有效地将电流截止，退出工作，整个器件呈晶体管方式工作。与GTO以晶闸管方式承受阻断电压相比较，极大地加快了关断过程。IGCT的导通和关断示意图如图4所示。

通过分析可知，IGCT的突出优点是：携带电流能力强、通态压降低和开关速度快。因此，IGCT特别适合高压大功率变频装置。

3 IGCT的建模

PSIM具有分析能力强、仿真速度快、可进行模数混合信号仿真等突出优点。构建基于PSIM的IGBT模型必须考虑四个过程：（1）门极信号延时;（2）开通/关断稳态;（3）开通过程;（4）关断过程。

基于PSIM的IGCT模型结构见图5所示。IGCT模型主要由静态模拟电路、延时时间模拟电路、开通暂态控制模拟电路以及关断暂态控制模拟电路等四大模块（电路）过程。

3.1 延时模拟电路

建立基于PSIM的IGCT仿真模型时，采用延时和逻辑电路，使仿真过程尽量实际开通关断过程。延时时间模拟电路如图6所示。在图6中，门极驱动信号的输入端口为G，输出端口分别为Gon、Goff，其中Gon为静态模拟电路和开通暂态模拟电路的输入端口，而Goff为关断暂态模拟电路的输入端口。图7是IGCT仿真模拟的控制信号延迟电路输出波形图。从图7（a）中可看出，在器件开通过程中，延迟时间t1（t1约取2μs）之后，控制信號转变成IGBT器件的门极信号。而在器件关断过程中，驱动信号需要延时t2（t2约取5.5μs）。t1就是IGBT的开通延时时间tdon，而t2则是其关断延时时间tdoff。

3.2 开通暂态控制模拟电路

IGCT的开通暂态控制模拟电路如图8所示。当Gon为1时，IGCT的开通暂态控制模拟电路可等效为一个二阶电路，由图8可写出电容C1上的电压uC为变量的二阶微分方程：

解此微分方程可得：

通过分析可知，IGCT的开通暂态过程，可以通过IGCT开通暂态控制模拟电路来模拟。

3.3 关断暂态控制模拟电路

IGCT在关断中，其阳极电流变化非常复杂。为了尽量接近真实关断过程，采取分时间段的模拟方法，来构建关断暂态控制模拟电路，即第一时间段模拟下降电流，第二时间段模拟拖尾电流。关断暂态控制模拟电路如图9所示。

3.4 静态模拟电路

所谓IGBT的静态，是指IGBT的彻底导通状态或彻底关断状态。静态导通时，IGCT管压降很小，可认为近似为零;静态关断时，IGCT阳极电流很小，也可认为近似为零。这样一来，就可采用理想开关、开关逻辑和受控电压、电流源的组合，来模拟IGCT的开通和关断暂态过程。

IGCT静态模拟电路如图10所示。图10中，受控源VCVS、VCCS与电压传感器、电流传感器和理想开关等，构成了IGCT的静态模拟电路。门极信号Gon为高电平时，电压源VCVS开始工作，其电压由开通暂态模拟控制电路所控制，并由端口VP、VN输入电压;当门极信号为低电平时，电流源VCCS开始工作，其电流由开通暂态模拟控制电路所控制，并由端口IP、IN输入电流。

4 IGCT逆变技术在高压变频调速系统中的应用

交流电动机的低压变频调速技术应用已经成熟。但在高压变频调速方面，受限于大功率器件的耐壓能力，高压变频器的主电路尚未形成广泛认可的、成熟的、一致的拓扑结构。目前中高压变频调速系统主电路拓扑结构的主流是“交-直-交”变换结构。中性点钳位三电平PWM高压变频器主电路结构如图11所示。

逆变电路采用中性点钳位（Neutral Point Clamped，NPC）三电平脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。主要特点：

（1）du/dt减小。与普通的两电平结构相比，NPC三电平结构的输出相电压电平数由2个增加至3个，输出线电压电平数由3个增加到5个，每个电平幅值由整个直流母线电压降低为原来的一半，开关频率不变的条件下，输出波形更接近正弦波。

（2）结构简化。与单元串联多重化电压源结构相比较，元器件数量大为减少。在无需串联以提高耐压的情况下，逆变桥路开关器件总数为12个，每个开关器件仅承受半直流母线电压。

（3）可靠性提高。因为元器件数量大为减少。

根据当前IGCT及高压IGBT的耐压水平，输出电压要求为6kV时，采用12个功率器件不能满足要求，必须采用器件串联，该系统采用静态均压和动态均压方案很好地解决了IGCT串联的问题。若将采用9kV耐压等级的IGCT串联将可进一步扩大输出容量。

5 结论

本论文重点介绍IGCT逆变技术的高压变频调速系统中的应用。首先介绍了IGCT的特性，并对IGCT进行建模，构建了基于PSIM的IGCT电路级模型;分析了常见的三电平结构主电路，结果表明，与普通两电平结构相比，逆变电路采用中性点钳位三电平脉宽调制，输出电压波形更接近正弦波，主电路结构更为简单，元器件数量也大为减少。

[参考文献]

[1] 董立国，朱万清，孙秋琦.变频调速器与节约能源、环境保护[N].黑龙江环境通报，2004（04）.

[2] 林渭勋.现代电力电子技术[M].机械工业出版社，2006.

[收稿日期]2019-01-11

[作者简介]杨会玲（1978—），女，本科，教师，主要从事电力电子技术及电力机车控制等研究。