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)，在實際工程中IGBT串聯(lián)閥的可靠性及效率則尤為重要，針對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Saber仿真和試驗對其進行了驗證，實驗結(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)面臨的諸多問題時都將展現(xiàn)出其特有的優(yōu)勢。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)濟效益及促進經(jīng)濟社會的可持續(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、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、控制簡單的優(yōu)點[2];采用換流單元級聯(lián)的模塊化多電平換流閥技術(shù)具有模塊化程度高，安裝維護方便等優(yōu)點;而采用器件串聯(lián)與換流單元級聯(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)雜的問題。因此IGBT串聯(lián)技術(shù)仍然是未來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)的電壓平衡問題，但是IGBT開關(guān)速度快、工作頻率高，采用RC阻尼均壓方案效率較低，在實際工程中可行性較差，因此需要通過先進的柵極控制實現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡[3]。

　　文獻[4,5]提出了同步控制技術(shù)，瞬時電壓平衡控制器通過對提前開關(guān)的開關(guān)管進行一定開通關(guān)斷的延時控制，使各管電壓相等。這個控制器可以采用數(shù)字離散化，保證每個開關(guān)信號同步。文獻[6]提出了通過增強密勒效應(yīng)來實現(xiàn)動態(tài)均壓的方法，如果串聯(lián)支路的某個開關(guān)管提前關(guān)斷，被預(yù)充電后的電容就會給開關(guān)管注入一個正的脈沖，從而讓電壓均衡的承受在每個開關(guān)管上。文獻[7]提出的有源電壓控制方法讓串聯(lián)的每個開關(guān)管在動態(tài)過程中集電極-發(fā)射極電壓都跟隨同一個基準(zhǔn)信號，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現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡，但是在實際工程中IGBT開關(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開關(guān)損耗的基礎(chǔ)上實現(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)電壓不平衡及動態(tài)電壓不平衡，而由于IGBT開關(guān)速度較快，因此動態(tài)電壓不平衡是IGBT串聯(lián)需要解決的核心問題，同時與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)器件中流過的漏電流是相同的，因此不同的斷態(tài)阻抗會造成IGBT的靜態(tài)電壓不均衡，器件的結(jié)溫同樣會影響靜態(tài)均壓[8]。

　　(2)驅(qū)動信號的不一致和驅(qū)動電路參數(shù)的差異

　　驅(qū)動信號的不一致和驅(qū)動電路參數(shù)(例如柵極電阻)的差異，將導(dǎo)致IGBT柵極驅(qū)動信號的不同步，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，先關(guān)斷的器件會產(chǎn)生很高的過電壓，同理開通時滯后導(dǎo)通的器件也會承受較高過電壓[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，會導(dǎo)致不同的開關(guān)特性和電壓尖峰，串聯(lián)IGBT在關(guān)斷過程中，關(guān)斷速度較快的器件要承受很高的過電壓，開通過程中導(dǎo)通較慢的器件也會承受較高過電壓[10]。

　　(4)IGBT串聯(lián)閥雜散參數(shù)

　　IGBT驅(qū)動及器件本身對地及相互之間的雜散電容會導(dǎo)致IGBT在開關(guān)延遲及dv/dt出現(xiàn)明顯的差異，造成IGBT動態(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)一個快恢復(fù)二極管，在感性負(fù)載情況下，IGBT的開通與電感續(xù)流二極管之間存在一個換流過程。由于二極管的反向恢復(fù)問題，在IGBT開通瞬間，會在續(xù)流二極管兩端產(chǎn)生過電壓。同時由于二極管反向恢復(fù)電荷的差異性，串聯(lián)二極管關(guān)斷時將會出現(xiàn)電壓的差異，這也將導(dǎo)致二極管過電壓。而二極管兩端的過電壓即IGBT的過電壓。

　　2 有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略

　　通過文獻[]可知，IGBT開關(guān)過程中的延遲時間td及電壓變化率dv/dt，如公式(1)(2)所示

　　通過調(diào)節(jié)IGBT柵極電壓，能夠有效地控制IGBT開關(guān)過程中的延遲時間td及電壓變化率dv/dt，實現(xiàn)IGBT串聯(lián)電壓平衡。有文獻提出的有源電壓控制，通過閉環(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，產(chǎn)生正門極電壓信號開通IGBT;當(dāng)IGBT端電壓低于給定電壓時，產(chǎn)生負(fù)門極電壓信號關(guān)斷IGBT，通過這種閉環(huán)控制使得與IGBT集射級電壓能快速跟隨Vref。

　　Vref分為預(yù)關(guān)斷、主關(guān)斷、斷態(tài)、預(yù)開通、主開通及通態(tài)六個階段，結(jié)合公式可知，Vref各個階段參數(shù)的設(shè)計將直接影響IGBT串聯(lián)電壓平衡度及開關(guān)損耗。預(yù)開關(guān)及主開關(guān)時間越長，IGBT電壓平衡控制度越高，但IGBT開關(guān)損耗則相應(yīng)增加;若預(yù)開關(guān)及主開關(guān)時間過短，則IGBT電壓平衡度則較差。因此需要在開關(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閉環(huán)反饋回路構(gòu)成：IGBT集射級電壓閉環(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)開關(guān)及主開關(guān)時間，優(yōu)化示意圖如圖所示。

　　3仿真及實驗驗證

　　3.1 仿真驗證

　　針對有源自適應(yīng)電壓平衡控制，在BOOST電路上開展兩只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開關(guān)頻率1kHz，Vref預(yù)關(guān)斷時間初值1µs，Vref主關(guān)斷時間初值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)斷時間較長，IGBT預(yù)關(guān)斷時間接近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)斷時間由1µs優(yōu)化到0.5µs附近，Vref主關(guān)斷時間由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開關(guān)速度，降低IGBT開關(guān)損耗。

　　3.2 實驗驗證

　　依據(jù)前面所述有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略，開發(fā)IGBT智能驅(qū)動板如圖所示。IGBT智能驅(qū)動板主要包括有源自適應(yīng)電壓平衡控制、故障保護、通訊編碼、高位取能等功能。

　　利用FPGA編程設(shè)計參考電壓波形，如圖所示。預(yù)關(guān)斷時間初值為4µs，預(yù)關(guān)斷平臺幅值1.5V，主關(guān)斷時間初值為1µs，鉗位電壓幅值7V，預(yù)開通時間初值為3µs，預(yù)開通平臺幅值4V，主關(guān)斷時間初值為2µs。

　　對兩個IGBT串聯(lián)進行實驗測試，實驗電路采用無源逆變電路，具體參數(shù)如下：直流電壓1000V，負(fù)載電流400A，IGBT開關(guān)頻率1050Hz。參考電壓參數(shù)：預(yù)關(guān)斷平臺時間4μs，預(yù)關(guān)斷平臺幅值1.5V，主關(guān)斷時間1μs，鉗位電壓幅值7V，預(yù)開通平臺時間3μs，預(yù)開通平臺幅值4V，主開通時間1μs。

　　實驗結(jié)果如圖4-22所示，關(guān)斷階段IGBT經(jīng)過2μs關(guān)斷延遲后，兩個IGBT能夠快速跟隨參考電壓波形，串聯(lián)IGBT電壓平衡性很好，但此時由于預(yù)關(guān)斷時間較長，因此IGBT關(guān)斷損耗也較大，為390mJ。

　　前面分析可知，預(yù)開關(guān)平臺是用來彌補IGBT開關(guān)延遲不一致導(dǎo)致的電壓不平衡，而過長平臺時間將會導(dǎo)致IGBT開關(guān)損耗增大，而對IGBT串聯(lián)均壓卻顯得毫無意義。當(dāng)采用有源自適應(yīng)電壓平衡控制策略時，Vref預(yù)關(guān)斷時間明顯降低，由4μs降到3μs，此時IGBT關(guān)斷損耗則由390mJ降到350mJ。

　　同時有源自適應(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。通過實驗可知，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開關(guān)速度，降低IGBT開關(guān)損耗。

　　4結(jié)語

　　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開關(guān)應(yīng)力，提高了換流閥可靠性;另一方面通過閉環(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)域場合。

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　　收稿日期：

　　作者簡介：

　　溫家良(1970—)，男，博士，教授級高級工程師，研究方向為高壓直流輸電和柔性直流輸電及大功率電力電子技術(shù)。

　　陳中圓(1988—)，男，碩士，工程師，研究方向為大功率電力電子技術(shù)。

　　鄒格(1990—)，女，碩士研究生，研究方向為大功率電力電力技術(shù)及電磁兼容技術(shù)。