基于IGCT的0.1Hz高壓實(shí)驗(yàn)電源的研究

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市供電中越來(lái)越多的運(yùn)用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜來(lái)代替原有的架空線(xiàn)，以節(jié)省空間并減少電磁噪聲的污染。對(duì)于電纜來(lái)說(shuō)，如不定期進(jìn)行預(yù)防性實(shí)驗(yàn)，則可能會(huì)發(fā)生絕緣事故，影響電網(wǎng)正常供電。而傳統(tǒng)的直流耐壓實(shí)驗(yàn)會(huì)對(duì)電纜的絕緣造成破壞，0.1Hz的超低頻高壓實(shí)驗(yàn)有代替直流耐壓實(shí)驗(yàn)的趨勢(shì)。提供了一種基于IGCT的0.1Hz連續(xù)可調(diào)高壓方波電源設(shè)計(jì)方案，用可控開(kāi)關(guān)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的閥片控制，提高了控制精度，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的連續(xù)可調(diào)。

關(guān)鍵詞：集成門(mén)極換相晶閘管；超低頻高壓電源；絕緣檢測(cè)

引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城網(wǎng)供電中越來(lái)越多采用交聯(lián)聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜，這使得XLPE電纜的絕緣檢測(cè)問(wèn)題越來(lái)越重要。在直流耐壓實(shí)驗(yàn)中，電纜內(nèi)部各介質(zhì)的電場(chǎng)分布是按介質(zhì)的體積電阻率分配的，而在交流耐壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，介質(zhì)的電場(chǎng)是按介質(zhì)的介電常數(shù)分布的，并集中于電纜終端和接線(xiàn)盒等附件中，這些地方直流電壓往往不易擊穿，發(fā)生直流擊穿處在交流條件下卻不會(huì)擊穿；直流耐壓實(shí)驗(yàn)中，電纜絕緣層的"水樹(shù)枝"容易迅速變?yōu)?電樹(shù)枝"，"水樹(shù)枝"在交流耐壓下還能保持相當(dāng)?shù)哪蛪褐挡⒊掷m(xù)一段時(shí)間；直流耐壓時(shí)，會(huì)有電子注入到聚合物介質(zhì)內(nèi)部，形成空間電荷，使該處易被擊穿[1]。由于上述原因，直流耐壓檢測(cè)合格的電纜在運(yùn)行一段時(shí)間后常會(huì)發(fā)生擊穿事故。研究表明，0.1Hz的電源可以對(duì)電纜的絕緣進(jìn)行檢測(cè)并不會(huì)對(duì)電纜造成破壞。

電力電子器件制造技術(shù)的飛速發(fā)展，使得利用更為簡(jiǎn)易的電路實(shí)現(xiàn)原有復(fù)雜設(shè)備的功能成為可能。IGCT最早是由瑞士ABB公司開(kāi)發(fā)并投放市場(chǎng)的，它是將GTO芯片與反并二極管和門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門(mén)極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶閘管的低通態(tài)損耗兩大優(yōu)點(diǎn)，在功率、可靠性、開(kāi)關(guān)速度、效率、重量和體積等方面都取得了重大進(jìn)展[2]。特別重要的是，IGCT的開(kāi)通損耗可以忽略不計(jì)，由于IGCT具有"硬"門(mén)極驅(qū)動(dòng)，能在1μs內(nèi)從PNPN的擎住狀態(tài)進(jìn)入PNP模式，完全以晶體管模式關(guān)斷，消除了任何擎住現(xiàn)象，關(guān)斷過(guò)程同步，特別適合于器件的串聯(lián)應(yīng)用，這使得將IGCT用于高壓控制領(lǐng)域成為可能。

本文提供了一種基于IGCT的超低頻高壓正負(fù)方波電源的設(shè)計(jì)，較閥片而言，IGCT是全控型器件，因此，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的連續(xù)可調(diào)。

1 主電路設(shè)計(jì)

主電路主要包括兩部分，即整流部分和逆變部分，整流部分采用倍壓整流電路，使得可以利用較低電壓的變壓器得到較高的直流輸出電壓；逆變部分采用IGCT串聯(lián)，平板式IGCT失效后自身形成短路，在IGCT串聯(lián)中采用冗余設(shè)計(jì)，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性。

1.1 主電路原理

主電路原理框圖如圖1所示。

在圖1中，50Hz的交流經(jīng)過(guò)第一次整流和逆變實(shí)現(xiàn)變頻，將50Hz的交流變換為1kHz的交流，以減小倍壓整流輸出的脈動(dòng)率，1kHz的交流經(jīng)調(diào)壓后輸出到倍壓整流電路，倍壓整流電路的輸出經(jīng)過(guò)由IGCT構(gòu)成的逆變電路后得到所需要的實(shí)驗(yàn)電壓。

具體電路原理圖如圖2所示。

1.2 整流部分電路設(shè)計(jì)

整流部分的輸出作為逆變電路的電源，因此，整流部分的直流輸出應(yīng)盡可能地穩(wěn)定，即脈動(dòng)率要盡可能地小，而且選擇倍壓電路串聯(lián)級(jí)數(shù)及電容值時(shí)應(yīng)注意配合。

整流部分主電路圖如圖3所示。

在這個(gè)電路中，如果需要得到更高的電壓，可以采用增加串聯(lián)倍壓電路級(jí)數(shù)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但級(jí)數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的脈動(dòng)率和電壓降增加，因此，應(yīng)綜合考慮級(jí)數(shù)和電容的配合。

脈動(dòng)電壓可以用式（1）近似表示

2δU≈[n(n+1)Ip]/2fC （1）

式中：n為倍壓電路的級(jí)數(shù)；

Ip為輸出平均電流；

f為交流電源頻率；

C為各級(jí)電容器的電容量。

負(fù)載時(shí)的輸出電壓可以用式（2）表示

式中：UM為電壓峰值。

由式（1）可以看出，交流電源的頻率越高，電壓脈動(dòng)越小，這也是將50Hz變頻為1kHz的原因，同時(shí)，還要減少串聯(lián)級(jí)數(shù)或增大電容的值，電容器的耐壓應(yīng)有一定裕量，以2～3倍的需要電壓來(lái)配置；一般情況下不應(yīng)串聯(lián)過(guò)多的級(jí)數(shù)，在本設(shè)計(jì)中只采用兩級(jí)。

1.3 逆變部分電路設(shè)計(jì)

逆變部分是用IGCT來(lái)交替導(dǎo)通不同的臂，以獲得需要的輸出電壓，IGCT極小的存儲(chǔ)時(shí)間和故障短路特性使得它完全可以用來(lái)控制較高的電壓。

本設(shè)計(jì)中的IGCT采用帶續(xù)流二極管的5SHX04D4502，它的主要參數(shù)為：

正向峰值阻斷電壓VDRM 4500V；

中間電壓Vdc_link 2800V；

最大不重復(fù)關(guān)斷電流ITGQM 340A；

通態(tài)電壓VT 3.4V；

門(mén)極輸入電壓幅值VGIN 20V。

考慮一定的裕量，取每個(gè)IGCT的直流耐壓為2500V，采用5個(gè)IGCT串聯(lián)就能可靠地輸出并有效地控制10kV的輸出電壓。

逆變部分主電路圖如圖4所示。

圖中：GU(GATEUNIT)為驅(qū)動(dòng)單元。

在串聯(lián)IGCT時(shí)，采取器件冗余技術(shù)，采用N＋1的連接方式，即在考慮器件耐壓裕量的同時(shí)，多串一個(gè)IGCT，這樣，即使電路中IGCT出現(xiàn)了故障，剩余器件仍能正常工作，此時(shí)，利用IGCT正常工作與故障時(shí)的不同導(dǎo)通壓降來(lái)控制發(fā)光二極管發(fā)光，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并更換器件，這樣大大提高了設(shè)備的可靠性。

此外，由于IGCT本身集成有門(mén)極驅(qū)動(dòng)電路，這樣就大大降低了驅(qū)動(dòng)電路的進(jìn)線(xiàn)電感，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)者不必要過(guò)多地考慮驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)。

1.4 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路是為了能產(chǎn)生可靠的控制信號(hào)供給IGCT的門(mén)極，以控制IGCT導(dǎo)通或切斷電路，對(duì)于0.1Hz的方波電壓源來(lái)說(shuō)，其控制電路只要能產(chǎn)生一個(gè)0.1Hz的小信號(hào)即可，因此，利用模擬電路或數(shù)字電路，可以非常簡(jiǎn)單地得到不同精度和不同成本的控制電路。

控制電路原理框圖如圖5所示。

1.5 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

采取冗余設(shè)計(jì)的IGCT具有極高的可靠性，能承受一定的過(guò)電壓，加上過(guò)電壓吸收網(wǎng)絡(luò)后，能將IGCT的存儲(chǔ)時(shí)間進(jìn)一步降低到幾百ns，一般情況下，只要在每個(gè)串聯(lián)的IGCT上并聯(lián)上如圖6所示的RD－C過(guò)電壓吸收電路即可；此外，由于電纜實(shí)驗(yàn)中，如果電纜的絕緣幾乎被完全破壞，則相當(dāng)于負(fù)載短路，此時(shí)會(huì)有極大的短路電流流過(guò)主電路，因此，有必要在電路中加上如圖4所示的限流電抗器，以抑制兩臂直通或負(fù)載短路時(shí)的峰值電流。

2 電磁兼容設(shè)計(jì)

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，強(qiáng)電系統(tǒng)（主電路）和弱電系統(tǒng)（控制電路）處在同一個(gè)環(huán)境中，作為騷擾源的強(qiáng)電系統(tǒng)極易對(duì)控制電路產(chǎn)生干擾，嚴(yán)重情況下，控制電路將不能正常工作，因此，有必要采取一些措施來(lái)避免或降低弱電系統(tǒng)所受的干擾。采取的主要措施有：

1）控制電路與驅(qū)動(dòng)電路之間的連線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)，并且連線(xiàn)盡可能短，屏蔽層采用雙端接地以屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)干擾；

2）將整個(gè)控制電路部分與外電路屏蔽起來(lái)；

3）根據(jù)具體情況采用不同的接地方式，以盡量減小接地阻抗，防止地線(xiàn)對(duì)控制電路的干擾；

4）控制電路的主要連線(xiàn)也采用屏蔽線(xiàn)，且走線(xiàn)盡可能短，以防止控制電路本身之間的相互干擾。

3 結(jié)語(yǔ)

本文提供了一種基于新型電力電子器件--IGCT的超低頻高壓實(shí)驗(yàn)方波源的設(shè)計(jì)方案，由于IGCT是全控型器件，較傳統(tǒng)高壓領(lǐng)域所采用的閥片等開(kāi)關(guān)器件而言，降低了設(shè)備體積，實(shí)現(xiàn)了輸出電壓的連續(xù)可調(diào)，能為XLPE電纜的絕緣檢測(cè)提供連續(xù)可調(diào)的實(shí)驗(yàn)電壓，有良好的應(yīng)用前景。