CN103401408A - Igct变换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种IGCT变换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，所述直流侧电路包括直流电容、缓冲电感、钳位二极管、钳位电容和钳位电阻；直流电容的正极连接缓冲电感一端和钳位电阻的一端，缓冲电感的另一端连接钳位二极管的正极，钳位电阻的另一端连接的钳位二极管负极，钳位二极管的负极连接钳位电容的一端，钳位电容的另一端连接直流电容的负极；本发明以电路原理为基础，详细分析了整个缓冲与钳位电路工作过程中的各个状态，根据各工作状态的微分表达式推导钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，理论更完备、适用面更广、参数更准确。

Description

IGCT变换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGCT（集成门极换流晶闸管）变换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法。 

背景技术

作为一种新型的功率半导体器件，IGCT具有阻断电压高，通态电流大，损耗低，可靠性高等优点，存在很好的应用前景。然而，IGCT器件也有一定的不足之处：IGCT自身允许的电流变换率di/dt不是很高，因此，实际应用时，需要串联缓冲电感以限制开通和短路时流过器件的电流变换率di/dt。由于线路中同时还存在杂散电感，在IGCT关断时，缓冲电感和杂散电感的共同作用会使得IGCT需承受较大的关断过电压。如果关断过电压尖峰过高，就可能损坏IGCT器件。为了抑制IGCT的关断过电压，需要设计IGCT的关断过电压钳位电路。一个典型的IGCT钳位电路由钳位二极管、钳位电容和钳位电阻组成。钳位电容用于吸收IGCT关断时产生的过电压尖峰；钳位二极管为关断过电压的吸收和缓冲电感的续流提供通道；钳位电阻为钳位电容和缓冲电感储存的能量提供泻放路径。 

在工业应用中，IGCT的钳位电路的设计基本上都是根据ABB公司提供的经验公式来设计的，但是，该经验公式没有完备的理论推导，同时，经验公式的推算结果往往无法获得最优的性能。近年来，一些文献也推导了器件参数与钳位电压的关系，但是作者没有给出最终可以应用的钳位电路设计准则，另一些文献只分析了整个电路中的一些关键器件或参数（反并联二极管、杂散电感）对IGCT器件开通和关断的影响，并没有提出缓冲与钳位电路的设计方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种理论完备、适用面广、效果显著的IGCT变 换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是： 

IGCT变换器/测试电路的直流侧电路，包括直流电容、缓冲电感、钳位二极管、钳位电容和钳位电阻；直流电容的正极连接缓冲电感一端和钳位电阻的一端，缓冲电感的另一端连接钳位二极管的正极，钳位电阻的另一端连接的钳位二极管负极，钳位二极管的负极连接钳位电容的一端，钳位电容的另一端连接直流电容的负极；所述直流侧电路连接有变换电路，所述变换电路连接钳位二极管的正极和直流电容的负极；所述变换电路包括若干IGCT器件； 

所述钳位电容的电容值为C_CL，所述钳位电阻的电阻值为R_CL； 

其中， $C_{\mathrm{CL}}\≥C_{\mathrm{CL}\min }=\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2},$

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2};$

ΔV_CLmax为IGCT器件在工作过程中承受的最大相对电压；I_L为流过缓冲电感的最大瞬时电流；L_i为缓冲电感的电感值； 

ΔV_CLmax＝V_DRM-V_DClink

V_DRM为IGCT器件可重复关断峰值电压，V_DClink为IGCT器件直流中间电压；V_Dfr为钳位二极管正向恢复峰值电压，可以从器件的datasheet上查到。 

本发明进一步的改进在于：所述IGCT变换器/测试电路为单个IGCT器件测试电路、两电平NPC型IGCT变换器、三电平NPC型IGCT变换器或三电平以上NPC型IGCT变换器。 

IGCT变换器/测试电路的直流侧电路的钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，所述IGCT变换器/测试电路的直流侧电路包括直流电容、缓冲电感、 钳位二极管、钳位电容和钳位电阻；直流电容的正极连接缓冲电感一端和钳位电阻的一端，缓冲电感的另一端连接钳位二极管的正极，钳位电阻的另一端连接的钳位二极管负极，钳位二极管的负极连接钳位电容的一端，钳位电容的另一端连接直流电容的负极；所述直流侧电路连接有变换电路，所述变换电路连接钳位二极管的正极和直流电容的负极；所述变换电路包括若干IGCT器件； 

所述参数设计方法包括以下步骤： 

1）根据变换电路中IGCT器件及整个IGCT变换器/测试电路的要求设计钳位电容参数： 

1.1）获取IGCT器件的关键参数：可重复关断峰值电压V_DRM，直流中间电压V_DClink，通态平均电流I_T(AV)或通态方均根电流I_TRMS，通态电流临界上升率di/dt_(IGCT)；与IGCT器件反并联二极管的通态电流临界上升率di/dt_(Diode)； 

1.2）确定IGCT器件在工作过程中承受的最大相对电压ΔV_CLmax和流过缓冲电感L_i的最大瞬时电流I_L； 

最大相对过电压ΔV_CLmax的计算公式为： 

ΔV_CLmax＝V_DRM-V_DClink                  (3) 

最大瞬时电流I_L通过仿真获得，或者根据经验取1.5-2.5倍IGCT变换器/测试电路的变换电路稳态电流值； 

1.3）计算出理论钳位电容的电容值C_CL的最小值: 

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}---\left(4\right)$

上式中L_i为直流侧电路的缓冲电感值； 

1.4）计算出理论钳位电容的电容值C_CL的最大值: 

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}$

V_Dfr为钳位二极管正向恢复峰值电压；根据理论钳位电容C_CL的最小值和最大值设计钳位电容； 

2）根据公式29计算出钳位电阻的电阻值R_CL： 

$R_{\mathrm{CL}}=\frac{\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}}{2D}=0.5988\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}---\left(29\right)$

本发明进一步的改进在于：步骤1.1）中通过从变换电路中IGCT器件的数据手册中查找获取IGCT器件的关键参数。 

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明提供了一种IGCT变换器/测试电路的直流侧电路及其钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，该方法以电路原理为基础，详细分析了整个缓冲与钳位电路工作过程中的各个状态，根据各工作状态的微分表达式推导钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，理论更完备、适用面更广、参数更准确。 

附图说明

图1是IGCT测试电路的结构图（单个IGCT器件的缓冲和钳位电路图）； 

图2是两电平NPC型IGCT变换器的主电路拓扑图； 

图3是三电平NPC型IGCT变换器的主电路拓扑图； 

图4是IGCT关断过程中IGCT端电压与缓冲电容电流关系图； 

图5（a）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为2800V/300A的实验波形图；图5（b）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为2800V/300A的仿真波形； 

图6（a）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为3200V/300A的实验波形图；图6（b）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为3200V/300A的仿真波形； 

图7（a）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为3200V/450A的实验波形图；图7（b）为实施例电路进行关断电压和关断电流分别为3200V/450A的仿真波形。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。 

请参阅图1至图3所示，IGCT变换器/测试电路包括直流侧电路和变换电路，变换电路包括一个或多个IGCT器件。直流侧电路包括直流电容C_DC、缓冲电感L_i、钳位二极管D_CL、钳位电容C_CL和钳位电阻R_CL；直流电容C_DC的正极连接缓冲电感L_i一端和钳位电阻R_CL的一端，缓冲电感L_i的另一端连接钳位二极管D_CL的正极，钳位电阻R_CL的另一端连接的钳位二极管D_CL负极，钳位二极管D_CL的负极连接钳位电容C_CL的一端，钳位电容C_CL的另一端连接直流电容C_DC的负极；变换电路连接钳位二极管D_CL的正极和直流电容C_DC的负极。 

如图1所示给出了本发明中涉及的IGCT测试电路，缓冲电感L_i与IGCT器件串联，钳位二极管D_CL和钳位电容C_CL构成支路与IGCT器件并联，钳位电阻R_CL与钳位二极管D_CL和缓冲电感构成的支路并联。 

本发明除了可应用于如图1所示的IGCT测试电路（单管实验电路），还可以并通常应用于如图2所示的两电平IGCT变换器和图3所示的三电平NPC型IGCT变换器的主电路设计中，同时本发明可以应用于其它使用IGCT作为功率器件的电力电子变流器中，此处不一一声明。 

本发明所涉及的IGCT变换器/测试电路的直流侧电路中钳位电容和钳位电阻的设计方法如下： 

（1）根据变换电路中IGCT器件及整个IGCT变换器/测试电路的要求设计IGCT的钳位电容参数： 

(a)从变换电路中IGCT器件的数据手册中查找该器件的关键参数：可重复关断峰值电压V_DRM，直流中间电压V_DClink，通态平均电流I_T(AV)或通态方均根电流I_TRMS，通态电流临界上升率di/dt_(IGCT)；另需查出其反并联二极管的通态电流临界上升率di/dt_(Diode)。 

(b)确定IGCT器件在工作过程中承受的最大相对电压ΔV_CLmax和流过缓冲电感L_i的最大瞬时电流I_L

最大相对过电压ΔV_CLmax的计算公式为： 

ΔV_CLmax＝V_DRM-V_DClink                 (3) 

最大瞬时电流I_L可以通过仿真得到，或者可根据经验取1.5-2.5倍IGCT变换器/测试电路的变换电路稳态电流值。 

(c)根据公式4计算出理论钳位电容C_CL的最小值: 

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}---\left(4\right)$

上式中L_i为直流侧电路的缓冲电感值。 

(d)根据公式计算出理论钳位电容C_CL的最大值: 

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}$

V_Dfr为钳位二极管正向恢复峰值电压；根据理论钳位电容C_CL的最小值的最大值设计钳位电容，使钳位电容C_CL的取值大于或等于最小值，并且小于或等于最大值。 

本发明中给出公式4的推导过程： 

①列出关断后的电路的微分方程 

根据IGCT变换器/测试电路的电路工作状态，推导关断过程中钳位电容C_CL端电压瞬时值v_C(t)的具体表达式（以图1为例）: 

$v_C\left(t\right)=V_D+\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}{e}^{-D{\mathrm{\ω}}_{0}t}\sin \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}t\right)---\left(5\right)$

上式中，V_D表示钳位电容C_CL两端的电压，I_L表示流过IGCT的负载电流，V_D和I_L在一个开关周期中保持恒定，R_CL为钳位电阻值，C_CL为钳位电容值，L_i为缓冲电感值。定义衰减系数δ和自然频率ω₀如下： 

$\mathrm{\δ}=\frac{1}{{2R}_{\mathrm{CL}}{C}_{\mathrm{CL}}},$ ${\mathrm{\ω}}_0=\frac{1}{\sqrt{L_i{C}_{\mathrm{CL}}}}$

按照图中1的参考方向有： 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_C\left(t\right)=i_L\left(t\right)+i_R\left(t\right)\\ i_C\left(t\right)=C_{\mathrm{CL}}\frac{{\mathrm{dv}}_C\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ i_R\left(t\right)=\frac{v_L\left(t\right)}{R_{\mathrm{CL}}}=\frac{L_i}{R_{\mathrm{CL}}}\frac{{\mathrm{di}}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\\ i_L\left(t\right)=\frac{1}{L_i}\∫(V_D-v_C)\mathrm{dt}\end{array}\right.---\left(6\right)$

根据公式（6），可以得到v_C(t)的微分方程： 

$\frac{d^2{v}_C\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{R_{\mathrm{CL}}{C}_{\mathrm{CL}}}\frac{{\mathrm{dv}}_C\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{1}{L_i{C}_{\mathrm{CL}}}{v}_C\left(t\right)=\frac{V_D}{L_i{C}_{\mathrm{CL}}}---\left(7\right)$

②求如式（7）所示的二阶常系数微分方程的解： 

v_C(t)的一个特解为： 

v_C(t)＝V_D                            (8) 

定义阻尼系数D（D＜1）如下式所示： 

$D=\frac{\mathrm{\δ}}{{\mathrm{\ω}}_0}=\frac{\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}}{{2R}_{\mathrm{CL}}}---\left(9\right)$

据此，可解得C_CL端电压瞬时值v_C(t)的表达式： 

$v_C\left(t\right)=V_D+e^{-\mathrm{\δt}}\left\{C_1\cos \right[\left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\right)t]+C_2\sin [\left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\right)t\left]\right\}---\left(10\right)$

关断瞬间具有如下的初始条件： 

v_C(0)＝V_D                       (11) 

则有：C₁=0 

根据电容电压与电流的关系，可以得到： 

$i_C\left(t\right)=C_{\mathrm{CL}}\·C_2\·e^{-\mathrm{\δt}}[{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·\cos ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)-\mathrm{\δ}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)]---\left(12\right)$

关断瞬间有： 

i_C(0)＝i_L(0)＝I_L                                 (13) 

则有： 

$C_2=\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}\·{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}---\left(14\right)$

至此可得到关断过程中钳位电容C_CL上的端电压瞬时值v_C(t)的表达式： 

$v_C\left(t\right)=V_D+\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}{e}^{-D{\mathrm{\ω}}_{0}t}\sin \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}t\right)---\left(15\right)$

③根据v_C(t)的瞬时表达式计算实际IGCT钳位电容上的最大相对过电压值Δv_Cmax： 

dv_c(t)/dt＝0时，钳位电容的端电压达到最大值，记为V_Cmax，对式（15）求导有： 

$\frac{{\mathrm{\ω}}_0\·e^{-D{\mathrm{\ω}}_{0}t}\·I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}[-D\·\sin \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}t\right)+\sqrt{{1-D}^2}\·\cos \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}t\right)]=0---\left(16\right)$

解之得： 

$t=\frac{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}---\left(17\right)$

据此可求得： 

$\mathrm{\Δ}{v}_{C\max }=V_{C\max }-V_D=\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0}{e}^{\_D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}---\left(18\right)$

④根据最大相对过电压值Δv_Cmax设计钳位电容C_CL的容值 

Δv_Cmax应该小于器件允许的最大过电压ΔV_CLmax，则有： 

$\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0}{e}^{\_D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≤\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }---\left(19\right)$

Δv_Cmax应该大于钳位二极管的正向恢复峰值电压V_Dfr，则有： 

$\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0}{e}^{\_D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≤V_{\mathrm{Dfr}}---\left(20\right)$

将

带入（19）、（20）式，有： 

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}---\left(21\right)$

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}---\left(22\right)$

⑤根据自动控制理论求解D值，得到最终的钳位电容设计公式： 

根据电路理论列出关断后电路电感电路i_L(t)的微分方程： 

$\frac{d^2{i}_L\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}+\frac{1}{R_{\mathrm{CL}}{C}_{\mathrm{CL}}}\frac{{\mathrm{di}}_L\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+\frac{i_L\left(t\right)}{L_i{C}_{\mathrm{CL}}}=0---\left(21\right)$

求有关i_L(t)的二阶线性齐次线性微分方程的通解： 

$i_L\left(t\right)=e^{-\mathrm{\δt}}[C_1\·\cos ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)+C_2\·\sin ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)]---\left(22\right)$

根据i_L(t)满足的初始条件计算通解中的系数： 

$\left\{\begin{array}{c}{i}_L\left(0\right)=I_L\\ L_i\frac{{\mathrm{di}}_L\left(0\right)}{\mathrm{dt}}=0\end{array}\right.---\left(23\right)$

解之得： 

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=I_L\\ C_2=\frac{I_L\·D}{\sqrt{{1-D}^2}}\end{array}\right.---\left(24\right)$

则有： 

$i_L\left(t\right)=I_L\·e^{-\mathrm{\δt}}[\cos ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)+\frac{D}{\sqrt{{1-D}^2}}\·\sin ({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t)]$

$=\frac{I_L{e}^{-\mathrm{\δt}}}{\sqrt{{1-D}^2}}\sin [{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t+\arctan \left(\frac{\sqrt{{1-D}^2}}{D}\right)]$                    (25) 

求解缓冲电感L_i电流i_L(t)减小至0的时间t_s

$\sin [{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}\·t_s+\arctan \left(\frac{\sqrt{{1-D}^2}}{D}\right)]=0$

$t_s=\frac{\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{\sqrt{{1-D}^2}}{D}\right)}{{\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}}---\left(26\right)$

当缓冲电感L_i电流i_L(t)为0时，根据经典控制理论有关调节时间的定义，钳位电容C_CL两端的相对过电压应（图4中V_DT对应的相对过电压）至其最大值的5%以内，有： 

$\frac{v_C\left(t_s\right)-V_D}{\mathrm{\Δ}{v}_{C\max }}=\frac{e^{-D{\mathrm{\ω}}_0{t}_s}\sin \left({\mathrm{\ω}}_0\sqrt{{1-D}^2}{t}_s\right)}{\sqrt{{1-D}^2}\·e^{\_D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}}=0.05---\left(27\right)$

解之得： 

D≈0.835 

将D带入式（20）得到最终的钳位电容设计公式： 

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}---\left(28\right)$

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}$

（2）钳位电阻的参数设计： 

根据D的定义设计钳位电阻： 

$R_{\mathrm{CL}}=\frac{\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}}{2D}=0.5988\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}---\left(29\right)$

（3）设计方法检验及实际参数计算。 

本发明中给出如下实例验证其有效性： 

测试电路如图1所示，其中IGCT为ABB公司的5SHX08F4502型IGCT，该IGCT的断态重复峰值电压V_DRM=4500V，最大电流I_T=630A，最大开通电流变化率di/dt=300A/s；钳位二极管D_CL和续流二极管FWD选择株洲时代公司ZK9800-45型快恢复二极管，正向恢复峰值电压V_Dfr为370V,直流电容C_DC为3400uF，负载选择70uH的电感线圈。 

设定直流电压最大值为3300V，根据IGCT的最大开通电流变化率可以求 得缓冲电感L_i的值： 

$L_i\≥\frac{U_{\mathrm{dc}}}{\mathrm{di}/{\mathrm{dt}}_{\mathrm{IGCT}}}=\frac{3300}{300}=11\mathrm{uH}$

实际中选择自制的11.5uH的电感线圈作为缓冲电感。 

为了保证IGCT的安全运行，设计时选择2/3的理论最大相对过电压作为IGCT器件允许的最大相对过电压，有： 

ΔV_CLmax＝2/3*(4500-3300)＝800V 

根据公式求得钳位电容C_CL的取值： 

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{0.171\·11.5\·{630}^2}{{800}^2}=1.22\mathrm{uF}$

$C_{\mathrm{CL}}\≤\frac{0.171\·11.5\·{630}^2}{{370}^2}=5.70\mathrm{uF}$

根据传统计算公式的计算结果，钳位电容的最小值为4.89uF,而且传统计算公式没有给出理论上限值，这样会给使用者带来很大的不便。 

根据实际器件的制作工艺，选择C_CL=2uF。 

根据公式求得钳位电阻R_CL的值： 

$R_{\mathrm{CL}}=0.5988\sqrt{11.5/2}=1.44\mathrm{\Ω}$

实际中选择R_CL=2。 

图5、6、7分别为关断电压和关断电流分别为2800V/300A、3200V/300A和3200V/450A的实验和仿真波形，下表为仿真实验和理论关断过电压对照表，通过该表格可以确定理论的正确性和准确性。 

（a）IGCT的最小关断时间限制：根据器件参数得到的IGCT最小关断时 间如下式所示，该时间应该小于器件手册上的典型值 

$t_{\mathrm{off}\min }=4.65\sqrt{L_i{C}_{\mathrm{CL}}}---\left(30\right)$

（b）受实际器件参数的限制，参数D可能不为0.835（设为D’），此时需重新计算最大相对过电压值以确定实际参数器件是否符合要求。 

$\mathrm{\Δ}{v}_{C\max }=\frac{I_L}{C_{\mathrm{CL}}{\mathrm{\ω}}_0}{e}^{\_D^{\′}/{\sqrt{{1-D}^{{\′}^2}}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^{{\′}^2}}/D^{\′})}}---\left(31\right)$

Claims (4)

1.IGCT变换器/测试电路的直流侧电路，其特征在于，包括直流电容（C_DC）、缓冲电感（L_i）、钳位二极管（D_CL）、钳位电容（C_CL）和钳位电阻（R_CL）；直流电容（C_DC）的正极连接缓冲电感（L_i）一端和钳位电阻（R_CL）的一端，缓冲电感（L_i）的另一端连接钳位二极管（D_CL）的正极，钳位电阻（R_CL）的另一端连接的钳位二极管（D_CL）负极，钳位二极管（D_CL）的负极连接钳位电容（C_CL）的一端，钳位电容（C_CL）的另一端连接直流电容（C_DC）的负极；所述直流侧电路连接有变换电路，所述变换电路连接钳位二极管（D_CL）的正极和直流电容（C_DC）的负极；所述变换电路包括若干IGCT器件；

所述钳位电容（C_CL）的电容值为C_CL，所述钳位电阻的电阻值为R_CL；

其中， $C_{\mathrm{CL}}\≥C_{\mathrm{CL}\min }=\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2},$

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}$

$R_{\mathrm{CL}}=\frac{\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}}{2D}=0.5988\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}};$

C_CLmin和C_CLmax分别为钳位电容的理论下限值和理论上限值；

ΔV_CLmax为IGCT器件在工作过程中承受的最大相对电压；I_L为流过缓冲电感（L_i）的最大瞬时电流；L_i为缓冲电感（L_i）的电感值；

ΔV_CLmax=V_DRM-V_DClink

V_DRM为IGCT器件可重复关断峰值电压，V_DClink为IGCT器件直流中间电压；

V_Dfr为钳位二极管正向恢复峰值电压。

2.根据权利要求1所述的IGCT变换器/测试电路的直流侧电路，其特征在于，所述IGCT变换器/测试电路为单个IGCT器件测试电路、两电平NPC型IGCT变换器、三电平NPC型IGCT变换器或三电平以上NPC型IGCT变换器。

3.IGCT变换器/测试电路的直流侧电路的钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，其特征在于，所述IGCT变换器/测试电路的直流侧电路包括直流电容（C_DC）、缓冲电感（L_i）、钳位二极管（D_CL）、钳位电容（C_CL）和钳位电阻（R_CL）；直流电容（C_DC）的正极连接缓冲电感（L_i）一端和钳位电阻（R_CL）的一端，缓冲电感（L_i）的另一端连接钳位二极管（D_CL）的正极，钳位电阻（R_CL）的另一端连接的钳位二极管（D_CL）负极，钳位二极管（D_CL）的负极连接钳位电容（C_CL）的一端，钳位电容（C_CL）的另一端连接直流电容（C_DC）的负极；所述直流侧电路连接有变换电路，所述变换电路连接钳位二极管（D_CL）的正极和直流电容（C_DC）的负极；所述变换电路包括若干IGCT器件；

所述参数设计方法包括以下步骤：

1）根据变换电路中IGCT器件及整个IGCT变换器/测试电路的要求设计钳位电容参数：

1.1）获取IGCT器件的关键参数：可重复关断峰值电压V_DRM，直流中间电压V_DClink，通态平均电流I_T(AV)或通态方均根电流I_TRMS，通态电流临界上升率di/dt_(IGCT)；与IGCT器件反并联二极管的通态电流临界上升率di/dt_(Diode)；

1.2）确定IGCT器件在工作过程中承受的最大相对电压ΔV_CLmax和流过缓冲电感L_i的最大瞬时电流I_L；

最大相对过电压ΔV_CLmax的计算公式为：

ΔV_CLmax=V_DRM-V_DClink                  (3)

最大瞬时电流I_L通过仿真获得，或者根据经验取1.5-2.5倍IGCT变换器/测试电路的变换电路稳态电流值；

1.3）计算出理论钳位电容（C_CL）的电容值C_CL的最小值:

$C_{\mathrm{CL}}\≥\frac{L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{CL}\max }^2}---\left(4\right)$

上式中L_i为直流侧电路的缓冲电感值；

1.4）计算出理论钳位电容（C_CL）的电容值C_CL的最大值:

$C_{\mathrm{CL}}\≤C_{\mathrm{CL}\max }=\frac{L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}{e}^{\_2D/{\sqrt{{1-D}^2}}^{\arctan (\sqrt{{1-D}^2}/D)}}\≈\frac{0.171L_i{I_L}^2}{V_{\mathrm{Dfr}}^2}$

V_Dfr为钳位二极管正向恢复峰值电压；根据理论钳位电容C_CL的最小值和最大值设计钳位电容；

2）根据公式29计算出钳位电阻（R_CL）的电阻值R_CL：

$R_{\mathrm{CL}}=\frac{\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}}{2D}=0.5988\sqrt{L_i/C_{\mathrm{CL}}}---\left(29\right).$

4.根据权利要求3所述的IGCT变换器/测试电路的直流侧电路的钳位电容和钳位电阻的参数设计方法，其特征在于，步骤1.1）中通过从变换电路中IGCT器件的数据手册中查找获取IGCT器件的关键参数。

Images