基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略

电 工 技 术 学 报

TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY

Vol.21 No.5

May 2006

基于IGCT的高压三电平变频器

失效机理及保护策略

赵争鸣 张海涛 袁立强 白 华 杨 志

（清华大学电机系电力系统国家重点实验室 北京 100084）

摘要 在分析了三电平变频器拓扑结构特点和IGCT结构特性的基础上，讨论了基于IGCT的高压三电平变频器失效机理及保护策略，提出了针对IGCT的全保护概念。对其安全运行区域进行了详尽的分析，结合实例给出定量的安全区域设计原则和相应的保护措施。

关键词：高压变频器 三电平 IGCT 失效机理 保护策略 中图分类号：TM464

Failure Mechanism and Protection Strategy of High Voltage

Three-Level Inverter Based on IGCT

Zhao Zhengming Zhang Haitao Yuan Liqiang Bai Hua Yang Zhi

（Tsinghua University Beijing 100084 China）

Abstract Based on the character of three-level inverter and structure of IGCT, the failure mechanism and protection strategy of high voltage three-level inverter are discussed and the whole protection of IGCT is proposed in this paper. Also the SOA (Safe Operational Area) is analyzed and its design principle is presented.

Keywords：High voltage inverter, three-level, IGCT, failure mechanism, protection strategy

的二极管钳位型三电平变频器失效机理以及保护措施。

1 概述

三电平变频器由于它谐波分量少，构成的多电平电压波形所需开关器件少，拓扑结构简单以及PWM调制相对容易，近年来在中高压大容量变频器中得到广泛应用[1～3]。特别是高压大功率的IGCT（集成门极换流晶闸管）问世以来，由于它综合了GTO和IGBT的优点，如通态电流大、断态承受电压高、开关频率较快和驱动功率小等，IGCT已成为高压大容量变频器的主要可选开关器件之一[4～6]。关于GTO和IGBT的失效机理，波兰的Januszewski教授在文献[8]中通过在金相显微镜下对硅片进行观察，予以了详细的分类。而对于IGCT，目前关于这方面的论述尚嫌欠缺。实际应用中，由于三电平变频器的特殊结构，以及对所采用的开关器件IGCT的特殊要求，基于IGCT的高压三电平变频器失效现象发生颇多，使得该类高压三电平变频器的应用受到影响。本文结合实例，集中讨论基于IGCT

2 三电平变频器的结构特点

一个典型的二极管钳位型三电平变频器拓扑结构如图1所示[7]。

图1 典型三电平变频器拓扑结构图

Fig.1 The typical topology of a three-level inverter

它与典型的两电平变频器相比主要有三点不同：①每支桥臂上有四只开关器件；②每支桥臂上多了两只快恢二极管；③两只快恢二极管的中点与直流母排电容中点相连。另外，该三电平变频器采

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用空间矢量PWM（SVPWM）开关调制方法，其中开关器件IGCT所处的运行条件有如下几个特点：

（1）三电平中采用二极管钳位结构，具有直流母排中点电压偏移问题，使得三电平中的IGCT有可能实际承受电压不一样，特别有可能单个IGCT承受全部直流母排电压。

（2）三电平的SVPWM中，共有四组矢量可供选择：小矢量、中矢量、大矢量和零矢量。开关矢量组合可供选择的余度大，开关顺序不尽相同。

（3）三电平中的每个IGCT的通态和阻态时间随着开关矢量选择的不同有较大的区别，并且同一桥臂中的IGCT所具有的通态和阻态时间也不一样，一般来讲，内管比外管的通态时间长。

（4）三电平中IGCT的最小脉宽和死区设置时间与PWM调制方式密切相关，同时又受IGCT器件本身的制约。

（5）三电平增加钳位二极管后，钳位二极管作为换流回路中的重要器件，换流回路不同，IGCT所处的回路以及回路参数不同，开关器件所承受的电应力不一样。

由于上述差别，三电平变频器中的IGCT失效可能性相对较大，失效机理比较复杂。因此，准确而深入地了解IGCT的内部结构、工作原理及运行条件是保证安全运行的基础。

3 IGCT结构和原理

IGCT是GCT与驱动电路的总和。在IGCT中，一些主要驱动电路参数和功能都已经被标准化了。例如，开通电流和关断电压限值、开关延时、电流电压上升率、门极电路电感、门极驱动电流等。使用者不需要考虑它们的设置，需要考虑的仅仅是符合要求的驱动电源、控制信号的转换和恰当的机械装配，这些涉及到驱动电源的标准、隔离、光纤控制界面、控制信号、诊断和保护以及周边环境的设计原则和要求。 3.1 IGCT的结构

IGCT结构如图2所示（四种型号）[3]。IGCT仅有一种封装形式，即压装式封装。IGCT的主要技术思路是将改进后的GTO结构和极低电感的门极驱动结合在一起。对逆导型IGCT，硅芯片分为GCT部分和二极管部分，其截面结构如图3所示；门极环结构允许从门极终端到芯片的门极区域采用很低的电感接触；门极环终端和采用板状导线的门极单元的总杂散电感为2～3nH。主要结构特点为：

图2 IGCT的四种型号外观图 Fig.2 The schemes of 4 IGCTs

图3 典型的IGCT结构解剖图 Fig.3 The typical section of IGCT （1）缓冲层技术。即在N−和P+层间引入N+

缓冲层，并降低N−区掺杂浓度。降低了通态损耗和开关损耗。缓冲层的使用使得芯片的厚度比同样耐压等级的GTO芯片厚度减小了约40%。

（2）透明阳极技术。透明阳极是一个发射极效率依赖电流密度的薄PN结，其损耗和开通阈值电压都很低。减小了门极驱动功率；且在关断期间，基区中的电子可透过透明阳极达到金属接触界面处复合，为载流子的快速流出提供了通道，缩短了关断时间。

（3）逆导技术。缓冲层及透明阳极技术的使用使得GCT硅片的厚度减小到足以满足长期通以直流的稳定性，这使得GTO与反并联二极管的集成成为可能。这种集成提高了逆变装置的可靠性，降低了装置成本。

3.2 IGCT的工作原理

总的来说，IGCT的导通机理与GTO类似，而关断机理则完全不一样。以典型的IGCT为例，其等效原理图如图4所示[3]。此IGCT在其阴极串联多只N沟道MOSFET管，在其门极串联多只P沟道MOSFET管充当ZENER管的功能。当器件需要导通时，N沟道MOSFET管与GTO同步驱动导通，导通机理与GTO完全一样。当器件需要关断时，门

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极P沟道MOSFET先导通，部分主电流从阴极向门极换流，然后阴极N沟道MOSFET关断，使主电流全部都通过门极流出，此过程的转换时间约为1µs，此时IGCT的门－阴极之间的PN结相对于其他PN结提前进入反偏阶段，有效地退出工作，使整个器件成为一个无接触基区的晶体管，然后如晶体管一样均匀关断，没有载流子收缩效应，与GTO完全不同。IGCT的开通和关断示意图如图5所示，IGCT关断时的电压电流波形如图6所示[3]。

图4 典型IGCT等效电路

Fig.4 The typical equivalent circuit of IGCT

图5 IGCT开通和关断工作原理示意图 Fig.5 The turn-on and off principle of IGCT

图6 典型的IGCT关断时的电压电流波形 Fig.6 The turn-off voltage and current waveforms of IGCT

从上面的IGCT结构和工作原理可以看到： （1）由于低电感门极驱动，IGCT有效开通动作被改善，正的门极电流的快速感应使开通动作更为均匀；关断时能快速从门极中抽取电荷，只需一

个低电压源（20V）。

（2）由于IGCT在开通瞬间处于擎住状态，本身没有抑制di/dt的能力，需要一个外部的di/dt吸收回路。

（3）浅层发射极（透明发射极）使所需门极驱动电流小，开通加快；同时使IGCT没有反向阻断能力。

（4）由于没有反向阻断能力，则为反向导通建立基础，即可有内部集成的反并联二极管；IGCT的开通象GTO一样，a1+a2=1使其开通，门极加反向门极电流可使其关断（实是使阴极电流下降到一定程度，使a1+a2=1不满足，则关闭，其中a1和a2分别为IGCT中的两个正偏置PN结的放大系数）。IGCT的改进包括：①增加缓冲层，使开关速度加快；②驱动集成也使开关速度加快；③透明发射极也使驱动加快。三者的作用都使开关速度加快，

从而大大缩短不稳定的GTO区域，减小dv/dt，减少误触发。因此，IGCT只有两个阶段——晶闸管导通和晶体管关断，中间的GTO过程大大缩短。由于这些特点，IGCT具有损耗小、门极驱动功率小、开通均匀、开关频率快、可集成有反并联二极管等优点。

4 变频器的SOA保证及IGCT失效机理

4.1 可能的故障类型

IGCT实际运行时存在过压、过流、开通di/dt过大、直通、过热、过短的开通和关断时间、不正确的门极驱动电源（电压和绝缘）、不正确的安装压力、关断失效以及其他失效等故障。由于IGCT置身于三电平变频器之中，其损坏一般表现为短路，这些故障最后主要表现出来的都是中点电压严重偏移，变频器不能正常工作。 4.2 SOA工作区域

针对IGCT的特点，本文提出变频器安全运行区[11]（Safe Operating Area，SOA）全保护概念：即在任何正常和非正常运行情况下，保证变频器中的IGCT都处在SOA内，从而保证IGCT不被损坏。如一实际的1250kW变频器所用IGCT（型号为5SHX08F4502）的SOA由下述指标限制：电流上升速率（＜500A/µs），电压变化率（＜1000V/µs），最大可重复关断电流（＜1100A），最大可重复开通电压（＜4500V），开通和关断时间应该总是控制在10µs以上，以保证在运行时电流分布均匀。同时，还有IGCT的温度限制（＜125℃）。另外，设定变

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频器的欠压保护阈值为65%，过流保护阈值为200%，母线过压保护阈值为130%。由此得到该变频器理想的SOA和变频器的合理工作区如图7所示。图中，MOP为在不同电压等级时变频器工作区的极限点，MOPLimit1和2是合理的变频器工作区的极限点的边界，UNSelected和MOPSelected为优化结果，SOA为安全工作区，OA为变频器工作区。因此，为使IGCT在运行时能被全保护，必须控制IGCT不能过流、过压以及电流电压的变化不能太快。所有的IGCT电气故障都以器件的过流和过压而为最终结果。

图7 IGCT的安全运行区 Fig.7 The SOA of IGCT

4.3 过流机理及其保护

变频器过流分为两种情况：一种是流经IGCT的电流值超过本身所能承受的最大值，其限制主要是I2t的限制，也就是器件的温度限制；第二种指流经IGCT（和与之换流二极管）的电流变化率超过器件本身所能承受的能力，该限制主要指的是IGCT瞬间耐压的能力。产生第一种过流的主要原因有：负载过大，电机或变频器短路，系统突变（起动、升减速等），系统振荡和桥臂直通时的过流等；第二种过流（实为di/dt太大）主要产生在IGCT开关过程中，产生该过流的主要原因为系统中的能量流回路发生突变。

对第一种过流保护，主要采用直接停机保护，操作动作有封锁PWM脉冲、快速断开主电路输入电源（MCB）和断开直流母排与整流器的连接。其主要参数和关键技术有过流阈值、允许过流时间、电流测量方法、测量精度和测量值传送时间等。过流阈值一般根据器件的额定电流值确定，IGCT的额定电流即为可重复最大关断电流峰值。具体数值大小由器件的反时限确定，典型的IGCT过流反时

限如图8所示，该反时限一般由器件生产厂家试验给出。

图8 典型IGCT过流反时限图 Fig.8 The inverse time lag of a typical IGCT

从图8可以看出，过流阈值的确定必须与过流时间有一一对应关系，一般取150%的额定电流为阈值，则允许时间为10s（通常称之为过流保护），而取120%的额定值为阈值，则允许的时间可以延长为60s（通常称之为过载保护）。

在过流保护中，电流的准确、及时的量测和传送是保护成功的关键。首先要解决的是采用什么样的电流传感器。目前主要有两种方法：一是磁感应，利用电生磁的原理测量电流，如电流互感器、霍尔元件等；另一种是直接进行电测量，利用电阻采取电压，反推出电流。前者安全、准确、测量范围大，但有延迟、成本大，后者快速、简单，但测量范围有限。目前普遍采用LAM电流互感器。其次要解决的问题是测量精度和测量数据的处理。由于三电平变频器输出电流波形不是一个标准的正弦波，带有不同程度的谐波和毛刺，因此，要准确测量变频器输出电流仍是一个问题。从保护的观点出发，一般以变频器最大电流作为测量对象。为避免电流毛刺，常以连续若干个电流测量值是否超过阈值作为判断标准。采样点数和传输时间作为重要参数考虑，通常需根据具体情况找出最佳参数。 4.4 过压机理及其保护

变频器过压也包括两种情况：一种是直流母排电压超过开关器件所能承受的最大可重复关断电压。引起该电压过压的主要原因有：①输入电源侧电压的升高；②电机处于发电状态，电机向变频器输电，使直流母排电压升高；③在二极管钳位的三电平变频器中，电容电压中点偏离，使单管电压升高；④由于系统发生电磁振荡，包括变频器端部发生的自激，产生周期性过压。另一种过压是由于线路杂散电感的存在，在开关关断时使Ldi/dt变化很大，瞬间电压超过器件的最大可重复开通电压，如图9所示，在开关关断时存在两尖峰电压，即VDSP

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和VDM。第一个尖峰由IGCT阳极端口的杂散电感引起，第二个尖峰由母排di/dt吸收回路的电感引起。另外有一向下的第三个尖峰是吸收电路中的二极管的反向恢复特性引起。

时间上的快速，采用模拟电路直接量测，光纤输送给主控板启动保护动作。对于钳位式三电平变频器，考虑到直流母排中点电压可能偏离的情况，尽管可能母排上的总电压没有超过设定的最大值，但是单边电压有可能超过单个IGCT的最大可重复关断电压，因此必须对母排单边电压进行过压检测。在进行过压保护实施中，最重要的问题是过压信号量测的准确性和传输的快速性。

5 主回路中的IGCT

IGCT工作时，由直流母排给定电压，整流回路给定电流输入，驱动回路给定门极控制信号，强制风冷给定散热冷却，从每条桥臂引出输出。从而构成一条输入输出畅通，功率控制协调，散热冷却平衡的IGCT工作运行条件。系统电路图如图10所示。

IGCT上的电压由直流母排电压、二极管钳位电路、di/dt吸收电路和驱动控制所决定：每个管子在通态和断态时所能承受的正向电压分别为3.5V和2800V，没有反向承压能力。在直流母排中点电压偏离的情况下，单个IGCT承受2800～5600V中的电压，从而有可能超过管子的最大重复峰值阻断电压4500V。另外，在IGCT关断过程中，由于回

图9 IGCT开通和关断时电流和电压波形 Fig.9 The turn-on and off current and voltage of IGCT

路杂散电感（主要是直流母排与阳极之间的电感）和di/dt吸收电感的存在，使得在IGCT关断中产生尖峰电压，有可能超过4500V，从而产生故障。开通时，对IGCT而言没有过电压问题，只有反向di/dt问题，即过电流和过电流变化率问题。

IGCT上的电流：通态时由整流回路提供，但是由负载回路决定大小，有过流保护环节；断态时为漏电流，由直流母排电压和IGCT反偏PN结的漏电流决定。在开通时，由于di/dt较大，由di/dt

第一种过压属于持续性过压，第二种过压属于瞬时过压，这些过压都将引起IGCT的损坏。如何进行变频器过压保护是保证变频器不损坏的重要前提。过压保护主要设定直流母排上的电压不要超过母排额定电压的130%，一旦超过该值时，IGCT采取封脉冲、主电路快速断开等保护动作。为了保证

图10 实际三电平变频器逆变回路中的IGCT电路图

Fig.10 The real circuit of three-level inverter

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吸收电路进行限制；关断时，由于dv/dt产生的位移电流，有可能使IGCT不能关断。由于IGCT特殊的结构，使GTO过程特别短，而使dv/dt得以快速通过。

对于反向导通型的IGCT，其集成反向二极管的续流和反向恢复电流都有可能使IGCT上产生瞬间大电流，所以，要特别注意开通和关断时的延时[12]和死区时间[13]的确定。

本文设计中的di/dt吸收回路参数为：LS为9.2µH，电流335A。RS为1.2Ω，功率为1.35kW。CS为2µF，耐压为4950V。满足在2800V直流电压下的di/dt＝500A/µs的上限值，同时全部的LS能量由RS和CS吸收。此时注意RS的散热问题。应计算出吸收回路的动态时间tx，要求tx一定小于相间开关最小脉宽，后者必须设定。通常的设计中，为了使半导体器件有效导通（关断），往往提及单管最小脉宽[14]。由于本装置中，三相桥臂共用一套吸收电路，除了考虑到单管的有效开通、关断外，还要兼顾整个系统的稳定时间，为此提出了相间最小脉宽的概念。

图11为据上述保护策略研制的一台1250kW/ 6000V二极管钳位的三电平变频器现场试验图，图12为其中的吸收电路。试验结果显示了所研制的高压大容量三电平变频器运行可靠。

图11 1250kW/6000V三电平变频器试验图 Fig.11 The test platform of a 1250kW/6000V three-level inverter

6 结论

本文讨论了基于IGCT的三电平变频器失效机理和保护措施。由于IGCT的特殊性和三电平变频器结构的复杂性，该类变频器容易出现故障。其故障的主要表现是IGCT上的过流和过压，引起过流过压的原因很多，关键是要保持IGCT总是工作在安全工作区。适当选择参数后，可以做出IGCT的SOA和正常运行区域。如何保持IGCT总能工作在

图12 di/dt吸收电路 Fig.12 di/dt choke snubber circuit

SOA内，主要做好两方面工作：一是选择好IGCT参数和其他外围元器件的参数，特别是吸收电路参数；二是设置好保护控制阈值，配置适当的传感元件，进行准确的计算，做出合适的保护动作。在对IGCT特性、三电平变频器结构特点的了解以及对各参数的合理设置的基础上，基于IGCT的三电平变频器能够工作在安全运行区内。

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作者简介

顾春雷 男，1966年生，硕士，副教授，主要研究方向为电机控制、特种电机设计、电力电子与电力传动等。

胡育文 男，1944年生，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子技术及运动控制。

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作者简介

赵争鸣 男，1959年生，教授, 博士生导师，主要研究方向为大容量电力电子变换器, 太阳能光伏发电系统。

张海涛 男，1979年生，博士研究生, 主要研究方向为大容量电力电子变换器.