軋機中壓變頻系統(tǒng)IGCT門極驅(qū)動關(guān)鍵技術(shù)研究

01研究背景冶金軋機中壓變頻系統(tǒng)采用集成門極換流晶閘管（IGCT）作為功率轉(zhuǎn)換的開關(guān)器件，門極驅(qū)動（門驅(qū)）直接決定門極換流晶閘管（GCT）的開關(guān)性能與工作狀態(tài)。隨著技術(shù)的發(fā)展，器件端與應(yīng)用端的各種需求均可在門驅(qū)上得以實現(xiàn)。IGCT是一種電流控制型器件，其開關(guān)動作是通過門驅(qū)電流投入投出及門陰極電壓正反偏實現(xiàn)，大功率半導(dǎo)體器(如晶閘管、IGCT、GTO、IEGT、IETO等）在門陰極電位未進行負壓偏置或者處于電位懸浮時，如果陽陰極電壓變化率過大，由于漂移電流的存在，器件容易誤觸發(fā)，這給器件及系統(tǒng)可靠性造成很大隱患。同時，在系統(tǒng)應(yīng)用過程中，只能通過門驅(qū)側(cè)的反饋光纖來傳遞器件的工作狀態(tài)，但信號受回路阻抗影響較大，可能出現(xiàn)失效器件不能及時檢測的問題。實現(xiàn)高壓主電與低壓控制電的完全解耦，消除器件特性對應(yīng)用側(cè)帶來的硬性要求；同時完善電監(jiān)測信號，將各種電壓檢測信號作為控制或保護信號，及時反映器件的工作狀態(tài)；二者共同成為IGCT門驅(qū)關(guān)鍵技術(shù)的研究方向。02研究方法IGCT在冶金軋機主傳動變流器中應(yīng)用存在亟待優(yōu)化的方向，均可落實到門驅(qū)上，這既是門驅(qū)的發(fā)展趨勢，也即是其面臨的挑戰(zhàn)。提出混合開關(guān)投切拓撲實現(xiàn)門陰極狀態(tài)的主動控制技術(shù)，實現(xiàn)高壓主電與低壓控制電的完全解耦；提出陰陽極主壓雙向高低壓檢測技術(shù)，進一步完善電監(jiān)測信號，可將各種電壓檢測信號作為控制或保護信號，及時反映器件的工作狀態(tài)；最終解決GCT耐壓約束性與GCT故障延時性問題。1）門陰極主動控制技術(shù)利用機械性開關(guān)的低阻抗導(dǎo)通特性，又使用電子開關(guān)的快速響應(yīng)特性，共同控制器件的門陰極狀態(tài)，保證任意時刻關(guān)斷狀態(tài)下的門陰極短路態(tài)或者反偏態(tài)，過程懸浮態(tài)時間可控制在點微秒時間內(nèi)，最終保證器件的正常功能與安全。圖1門陰極狀態(tài)控制技術(shù)主拓撲圖2）故障診斷能力提升技術(shù)引入陽極雙向電壓檢測，涵蓋高低壓、正反向等四類陽陰極電壓檢測，采用外部開關(guān)控制信號作為基本判據(jù)，通過陽極電壓的狀態(tài)來判斷器件是否正常開通或者正常關(guān)斷，同時結(jié)合已實現(xiàn)的內(nèi)部重觸發(fā)可判斷IGCT、FRD的電流方向，得到三電平拓撲中IGCT器件的實際狀態(tài)。該方案還兼容器件過壓監(jiān)測功能。（1）基于純差分電壓檢測方式，涉及高低壓檢測，從分壓比角度出發(fā)需要外部配置兩個高壓電阻分別實現(xiàn)低壓正負電壓及高壓正負電壓檢測，實現(xiàn)交流電壓四類信號生成。圖2基于電阻差分檢測方法實現(xiàn)陽極電壓檢測電路結(jié)構(gòu)圖（2）基于TVS管的電壓檢測方式，該方法可采用高壓電阻加正反TVS形式實現(xiàn)正負電壓檢測，與電阻差分不同，該方法僅需一個高壓電阻。圖3基于TVS鉗位方式實現(xiàn)陽極電壓檢測電路結(jié)構(gòu)圖03研究結(jié)果基于分析完成新型GCT門驅(qū)開發(fā)，搭載了門陰極混合控制技術(shù)及雙向高低壓檢測技術(shù)，可實現(xiàn)門陰極在關(guān)斷狀態(tài)下的全時間范圍內(nèi)短路態(tài)或反偏態(tài)，以及實現(xiàn)±50V~±6kV電壓檢測及信號輸出。圖4上電門陰極電壓波形(CH1:VKCH2:VGCH3:S3CH4:S0)圖5下電門陰極電壓波形(CH1:VKCH2:VGCH3:S3CH4:S0)圖6基于TVS鉗位方法的陽極電壓檢測波形04研究結(jié)論1）針對目前存在的器件耐壓約束性條件及器件狀態(tài)監(jiān)控等方面，開展門陰極狀態(tài)控制技術(shù)及故障診斷能力提升的技術(shù)研究，并找到合適的解決思路。2）門陰極狀態(tài)控制技術(shù)與陽極雙向電壓檢測已經(jīng)在直流電網(wǎng)領(lǐng)域得到了應(yīng)用驗證。3）下一步將繼續(xù)研究采用陽極電壓檢測方法結(jié)合目前已有的內(nèi)部重觸發(fā)檢測技術(shù)，與三電平控制相結(jié)合來實