基于IGCT的0.1Hz高压实验电源的研究

摘要：随着国民经济的发展，城市供电中越来越多的运用交联聚乙烯（XLPE）电缆来代替原有的架空线，以节省空间并减少电磁噪声的污染。对于电缆来说，如不定期进行预防性实验，则可能会发生绝缘事故，影响电网正常供电。而传统的直流耐压实验会对电缆的绝缘造成破坏，0.1Hz的超低频高压实验有代替直流耐压实验的趋势。提供了一种基于IGCT的0.1Hz连续可调高压方波电源设计方案，用可控开关来代替传统的阀片控制，提高了控制精度，实现了输出电压的连续可调。

关键词：集成门极换相晶闸管；超低频高压电源；绝缘检测

引言

随着国民经济的发展，城网供电中越来越多采用交联聚乙烯（XLPE）绝缘电力电缆，这使得XLPE电缆的绝缘检测问题越来越重要。在直流耐压实验中，电缆内部各介质的电场分布是按介质的体积电阻率分配的，而在交流耐压实验时，介质的电场是按介质的介电常数分布的，并集中于电缆终端和接线盒等附件中，这些地方直流电压往往不易击穿，发生直流击穿处在交流条件下却不会击穿；直流耐压实验中，电缆绝缘层的"水树枝"容易迅速变为"电树枝"，"水树枝"在交流耐压下还能保持相当的耐压值并持续一段时间；直流耐压时，会有电子注入到聚合物介质内部，形成空间电荷，使该处易被击穿[1]。由于上述原因，直流耐压检测合格的电缆在运行一段时间后常会发生击穿事故。研究表明，0.1Hz的电源可以对电缆的绝缘进行检测并不会对电缆造成破坏。

电力电子器件制造技术的飞速发展，使得利用更为简易的电路实现原有复杂设备的功能成为可能。IGCT最早是由瑞士ABB公司开发并投放市场的，它是将GTO芯片与反并二极管和门极驱动电路集成在一起，再与其门极驱动器在外围以低电感方式连接，结合了晶体管的稳定关断能力和晶闸管的低通态损耗两大优点，在功率、可靠性、开关速度、效率、重量和体积等方面都取得了重大进展[2]。特别重要的是，IGCT的开通损耗可以忽略不计，由于IGCT具有"硬"门极驱动，能在1μs内从PNPN的擎住状态进入PNP模式，完全以晶体管模式关断，消除了任何擎住现象，关断过程同步，特别适合于器件的串联应用，这使得将IGCT用于高压控制领域成为可能。

本文提供了一种基于IGCT的超低频高压正负方波电源的设计，较阀片而言，IGCT是全控型器件，因此，可以实现输出电压的连续可调。

1 主电路设计

主电路主要包括两部分，即整流部分和逆变部分，整流部分采用倍压整流电路，使得可以利用较低电压的变压器得到较高的直流输出电压；逆变部分采用IGCT串联，平板式IGCT失效后自身形成短路，在IGCT串联中采用冗余设计，增强了设备的可靠性。

1.1 主电路原理

主电路原理框图如图1所示。

在图1中，50Hz的交流经过第一次整流和逆变实现变频，将50Hz的交流变换为1kHz的交流，以减小倍压整流输出的脉动率，1kHz的交流经调压后输出到倍压整流电路，倍压整流电路的输出经过由IGCT构成的逆变电路后得到所需要的实验电压。

具体电路原理图如图2所示。

1.2 整流部分电路设计

整流部分的输出作为逆变电路的电源，因此，整流部分的直流输出应尽可能地稳定，即脉动率要尽可能地小，而且选择倍压电路串联级数及电容值时应注意配合。

整流部分主电路图如图3所示。

在这个电路中，如果需要得到更高的电压，可以采用增加串联倍压电路级数的方法来实现，但级数过多会导致输出电压的脉动率和电压降增加，因此，应综合考虑级数和电容的配合。

脉动电压可以用式（1）近似表示

2δU≈[n(n+1)Ip]/2fC （1）

式中：n为倍压电路的级数；

Ip为输出平均电流；

f为交流电源频率；

C为各级电容器的电容量。

负载时的输出电压可以用式（2）表示

式中：UM为电压峰值。

由式（1）可以看出，交流电源的频率越高，电压脉动越小，这也是将50Hz变频为1kHz的原因，同时，还要减少串联级数或增大电容的值，电容器的耐压应有一定裕量，以2～3倍的需要电压来配置；一般情况下不应串联过多的级数，在本设计中只采用两级。

1.3 逆变部分电路设计

逆变部分是用IGCT来交替导通不同的臂，以获得需要的输出电压，IGCT极小的存储时间和故障短路特性使得它完全可以用来控制较高的电压。

本设计中的IGCT采用带续流二极管的5SHX04D4502，它的主要参数为：

正向峰值阻断电压VDRM 4500V；

中间电压Vdc_link 2800V；

最大不重复关断电流ITGQM 340A；

通态电压VT 3.4V；

门极输入电压幅值VGIN 20V。

考虑一定的裕量，取每个IGCT的直流耐压为2500V，采用5个IGCT串联就能可靠地输出并有效地控制10kV的输出电压。

逆变部分主电路图如图4所示。

图中：GU(GATEUNIT)为驱动单元。

在串联IGCT时，采取器件冗余技术，采用N＋1的连接方式，即在考虑器件耐压裕量的同时，多串一个IGCT，这样，即使电路中IGCT出现了故障，剩余器件仍能正常工作，此时，利用IGCT正常工作与故障时的不同导通压降来控制发光二极管发光，以便及时发现故障并更换器件，这样大大提高了设备的可靠性。

此外，由于IGCT本身集成有门极驱动电路，这样就大大降低了驱动电路的进线电感，简化了设计，使得设计者不必要过多地考虑驱动部分的设计。

1.4 控制电路设计

控制电路是为了能产生可靠的控制信号供给IGCT的门极，以控制IGCT导通或切断电路，对于0.1Hz的方波电压源来说，其控制电路只要能产生一个0.1Hz的小信号即可，因此，利用模拟电路或数字电路，可以非常简单地得到不同精度和不同成本的控制电路。

控制电路原理框图如图5所示。

1.5 保护电路设计

采取冗余设计的IGCT具有极高的可靠性，能承受一定的过电压，加上过电压吸收网络后，能将IGCT的存储时间进一步降低到几百ns，一般情况下，只要在每个串联的IGCT上并联上如图6所示的RD－C过电压吸收电路即可；此外，由于电缆实验中，如果电缆的绝缘几乎被完全破坏，则相当于负载短路，此时会有极大的短路电流流过主电路，因此，有必要在电路中加上如图4所示的限流电抗器，以抑制两臂直通或负载短路时的峰值电流。

2 电磁兼容设计

在整个设计中，强电系统（主电路）和弱电系统（控制电路）处在同一个环境中，作为骚扰源的强电系统极易对控制电路产生干扰，严重情况下，控制电路将不能正常工作，因此，有必要采取一些措施来避免或降低弱电系统所受的干扰。采取的主要措施有：

1）控制电路与驱动电路之间的连线采用屏蔽线，并且连线尽可能短，屏蔽层采用双端接地以屏蔽电场和磁场干扰；

2）将整个控制电路部分与外电路屏蔽起来；

3）根据具体情况采用不同的接地方式，以尽量减小接地阻抗，防止地线对控制电路的干扰；

4）控制电路的主要连线也采用屏蔽线，且走线尽可能短，以防止控制电路本身之间的相互干扰。

3 结语

本文提供了一种基于新型电力电子器件--IGCT的超低频高压实验方波源的设计方案，由于IGCT是全控型器件，较传统高压领域所采用的阀片等开关器件而言，降低了设备体积，实现了输出电压的连续可调，能为XLPE电缆的绝缘检测提供连续可调的实验电压，有良好的应用前景。