基于IGCT的0.1Hz高壓實驗電源的研究

摘要：隨著國民經濟的發展，城市供電中越來越多的運用交聯聚乙烯（XLPE）電纜來代替原有的架空線，以節省空間并減少電磁噪聲的污染。對于電纜來說，如不定期進行預防性實驗，則可能會發生絕緣事故，影響電網正常供電。而傳統的直流耐壓實驗會對電纜的絕緣造成破壞，0.1Hz的超低頻高壓實驗有代替直流耐壓實驗的趨勢。提供了一種基于IGCT的0.1Hz連續可調高壓方波電源設計方案，用可控開關來代替傳統的閥片控制，提高了控制精度，實現了輸出電壓的連續可調。

關鍵詞：集成門極換相晶閘管；超低頻高壓電源；絕緣檢測

引言

隨著國民經濟的發展，城網供電中越來越多采用交聯聚乙烯（XLPE）絕緣電力電纜，這使得XLPE電纜的絕緣檢測問題越來越重要。在直流耐壓實驗中，電纜內部各介質的電場分布是按介質的體積電阻率分配的，而在交流耐壓實驗時，介質的電場是按介質的介電常數分布的，并集中于電纜終端和接線盒等附件中，這些地方直流電壓往往不易擊穿，發生直流擊穿處在交流條件下卻不會擊穿；直流耐壓實驗中，電纜絕緣層的"水樹枝"容易迅速變為"電樹枝"，"水樹枝"在交流耐壓下還能保持相當的耐壓值并持續一段時間；直流耐壓時，會有電子注入到聚合物介質內部，形成空間電荷，使該處易被擊穿[1]。由于上述原因，直流耐壓檢測合格的電纜在運行一段時間后常會發生擊穿事故。研究表明，0.1Hz的電源可以對電纜的絕緣進行檢測并不會對電纜造成破壞。

電力電子器件制造技術的飛速發展，使得利用更為簡易的電路實現原有復雜設備的功能成為可能。IGCT最早是由瑞士ABB公司開發并投放市場的，它是將GTO芯片與反并二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶閘管的低通態損耗兩大優點，在功率、可靠性、開關速度、效率、重量和體積等方面都取得了重大進展[2]。特別重要的是，IGCT的開通損耗可以忽略不計，由于IGCT具有"硬"門極驅動，能在1μs內從PNPN的擎住狀態進入PNP模式，完全以晶體管模式關斷，消除了任何擎住現象，關斷過程同步，特別適合于器件的串聯應用，這使得將IGCT用于高壓控制領域成為可能。

本文提供了一種基于IGCT的超低頻高壓正負方波電源的設計，較閥片而言，IGCT是全控型器件，因此，可以實現輸出電壓的連續可調。

1 主電路設計

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，平板式IGCT失效后自身形成短路，在IGCT串聯中采用冗余設計，增強了設備的可靠性。

1.1 主電路原理

主電路原理框圖如圖1所示。

在圖1中，50Hz的交流經過第一次整流和逆變實現變頻，將50Hz的交流變換為1kHz的交流，以減小倍壓整流輸出的脈動率，1kHz的交流經調壓后輸出到倍壓整流電路，倍壓整流電路的輸出經過由IGCT構成的逆變電路后得到所需要的實驗電壓。

具體電路原理圖如圖2所示。

1.2 整流部分電路設計

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盡可能地穩定，即脈動率要盡可能地小，而且選擇倍壓電路串聯級數及電容值時應注意配合。

整流部分主電路圖如圖3所示。

在這個電路中，如果需要得到更高的電壓，可以采用增加串聯倍壓電路級數的方法來實現，但級數過多會導致輸出電壓的脈動率和電壓降增加，因此，應綜合考慮級數和電容的配合。

脈動電壓可以用式（1）近似表示

2δU≈[n(n+1)Ip]/2fC （1）

式中：n為倍壓電路的級數；

Ip為輸出平均電流；

f為交流電源頻率；

C為各級電容器的電容量。

負載時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，電壓脈動越小，這也是將50Hz變頻為1kHz的原因，同時，還要減少串聯級數或增大電容的值，電容器的耐壓應有一定裕量，以2～3倍的需要電壓來配置；一般情況下不應串聯過多的級數，在本設計中只采用兩級。

1.3 逆變部分電路設計

逆變部分是用IGCT來交替導通不同的臂，以獲得需要的輸出電壓，IGCT極小的存儲時間和故障短路特性使得它完全可以用來控制較高的電壓。

本設計中的IGCT采用帶續流二極管的5SHX04D4502，它的主要參數為：

正向峰值阻斷電壓VDRM 4500V；

中間電壓Vdc_link 2800V；

最大不重復關斷電流ITGQM 340A；

通態電壓VT 3.4V；

門極輸入電壓幅值VGIN 20V。

考慮一定的裕量，取每個IGCT的直流耐壓為2500V，采用5個IGCT串聯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)為驅動單元。

在串聯IGCT時，采取器件冗余技術，采用N＋1的連接方式，即在考慮器件耐壓裕量的同時，多串一個IGCT，這樣，即使電路中IGCT出現了故障，剩余器件仍能正常工作，此時，利用IGCT正常工作與故障時的不同導通壓降來控制發光二極管發光，以便及時發現故障并更換器件，這樣大大提高了設備的可靠性。

此外，由于IGCT本身集成有門極驅動電路，這樣就大大降低了驅動電路的進線電感，簡化了設計，使得設計者不必要過多地考慮驅動部分的設計。

1.4 控制電路設計

控制電路是為了能產生可靠的控制信號供給IGCT的門極，以控制IGCT導通或切斷電路，對于0.1Hz的方波電壓源來說，其控制電路只要能產生一個0.1Hz的小信號即可，因此，利用模擬電路或數字電路，可以非常簡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 保護電路設計

采取冗余設計的IGCT具有極高的可靠性，能承受一定的過電壓，加上過電壓吸收網絡后，能將IGCT的存儲時間進一步降低到幾百ns，一般情況下，只要在每個串聯的IGCT上并聯上如圖6所示的RD－C過電壓吸收電路即可；此外，由于電纜實驗中，如果電纜的絕緣幾乎被完全破壞，則相當于負載短路，此時會有極大的短路電流流過主電路，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載短路時的峰值電流。

2 電磁兼容設計

在整個設計中，強電系統（主電路）和弱電系統（控制電路）處在同一個環境中，作為騷擾源的強電系統極易對控制電路產生干擾，嚴重情況下，控制電路將不能正常工作，因此，有必要采取一些措施來避免或降低弱電系統所受的干擾。采取的主要措施有：

1）控制電路與驅動電路之間的連線采用屏蔽線，并且連線盡可能短，屏蔽層采用雙端接地以屏蔽電場和磁場干擾；

2）將整個控制電路部分與外電路屏蔽起來；

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

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

3 結語

本文提供了一種基于新型電力電子器件--IGCT的超低頻高壓實驗方波源的設計方案，由于IGCT是全控型器件，較傳統高壓領域所采用的閥片等開關器件而言，降低了設備體積，實現了輸出電壓的連續可調，能為XLPE電纜的絕緣檢測提供連續可調的實驗電壓，有良好的應用前景。