利用實(shí)測(cè)GTO陽(yáng)極電流波形設(shè)計(jì)逆變器緩沖電路

利用實(shí)測(cè)GTO陽(yáng)極電流波形設(shè)計(jì)逆變器緩沖電路

摘要：緩沖電路參數(shù)值對(duì)GTO的關(guān)斷性能及整個(gè)GTO逆變器的工作性能起著至關(guān)重要的作用。本文通過(guò)對(duì)GTO關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓波形的分析，提出一種以“綜合指標(biāo)”作為目標(biāo)函數(shù)的緩沖電路參數(shù)尋優(yōu)方案，可根據(jù)對(duì)GTO裝置性能的具體要求確定GTO緩沖電路元件的最佳參數(shù)。

關(guān)鍵詞：GTO緩沖電路設(shè)計(jì)陽(yáng)極電流

中圖法分類號(hào)：TM464文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：0219?2713(2000)09?484?03

1引言

緩沖電路參數(shù)值直接影響GTO的關(guān)斷性能及整個(gè)GTO逆變器的工作性能。因此如何在設(shè)計(jì)GTO逆變器時(shí)合理設(shè)計(jì)緩沖電路參數(shù)，便成為重要的問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)GTO關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓波形的分析，提出并論證了GTO陽(yáng)極電流波形與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)、緩沖二極管的反向恢復(fù)過(guò)程與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)的論點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，提出了一種簡(jiǎn)便、實(shí)用的緩沖電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。可根據(jù)對(duì)GTO裝置性能的具體要求確定GTO緩沖電路元件最優(yōu)參數(shù)。在對(duì)GTO關(guān)斷過(guò)程中陽(yáng)極電壓及關(guān)斷功耗波形進(jìn)行仿真時(shí)，為提高仿真精度，采用了實(shí)測(cè)的陽(yáng)極關(guān)斷電流波形。并據(jù)此推導(dǎo)出關(guān)斷功耗波形。仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)波形比較，誤差極小。本文提出了一種以“綜合指標(biāo)”作為目標(biāo)函數(shù)的緩沖電路參數(shù)尋優(yōu)方案。

2利用陽(yáng)極電流波形對(duì)陽(yáng)極電壓波形仿真的前提條件

GTO緩沖電路可等效為圖1所示電路。如要利用實(shí)測(cè)的陽(yáng)極電流對(duì)陽(yáng)極電壓進(jìn)行仿真，首先需要證明以下兩個(gè)條件成立：

（1）GTO陽(yáng)極電流波形與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)；

（2）緩沖二極管的反向恢復(fù)過(guò)程與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)。

2.1GTO陽(yáng)極電流波形與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)

圖2為GTO關(guān)斷時(shí)的陽(yáng)極電流波形。整個(gè)過(guò)程可分為3個(gè)階段：即存儲(chǔ)時(shí)間段、下降時(shí)間段及拖尾時(shí)間段。

在存儲(chǔ)時(shí)間段及下降時(shí)間段中，存儲(chǔ)時(shí)間ts及下降時(shí)間tf值僅取決于門極抽取能力及GTO內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)。此兩段的陽(yáng)極電流波形也與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)。

在拖尾時(shí)間段，拖尾電流基本

圖1GTO緩沖電路示意圖

圖2GTO陽(yáng)極關(guān)斷電流波形示意圖

上由下降時(shí)間段的陽(yáng)極電流波形及結(jié)溫決定，與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)。

圖3中8條曲線是CS=2，3，4，5μF時(shí)的陽(yáng)極電流及陽(yáng)極電壓波形?？梢?jiàn)，在緩沖電路參數(shù)變化后，陽(yáng)極電壓波形變化較大，而4條陽(yáng)極電流曲線基本上完全重合。由此實(shí)驗(yàn)可驗(yàn)證以上分析的正確性。

　　圖中曲線（1）,（2）,（3）,（4）為緩沖電路參數(shù)改變后的實(shí)測(cè)陽(yáng)極電壓波形；

曲線（5）,（6）,（7）,（8）為緩沖電路參數(shù)改變后的實(shí)測(cè)陽(yáng)極電流波形。

2.2緩沖二極管的反向恢復(fù)過(guò)程與緩沖電路參數(shù)無(wú)關(guān)

儲(chǔ)存電荷Qr及恢復(fù)時(shí)間trr是緩沖二極管反向恢復(fù)過(guò)程中兩個(gè)重要參數(shù)。在分析GTO關(guān)斷過(guò)程時(shí)，可近似認(rèn)為Qr，trr為常量。由圖4可證明這一點(diǎn)。圖4是改變緩沖電阻支路分布電感后測(cè)得的緩沖電阻支路電流及緩沖二極管支路電流?？梢?jiàn)，在Lrs改變后，irs變化很大，而ids幾乎不變。即可認(rèn)為trr只與緩沖二極管本身的特性有關(guān)。

圖中曲線（1），（2），（3）為L(zhǎng)rs改變前、后的實(shí)測(cè)緩沖電阻支路電流波形。

曲線（4），（5），（6）為L(zhǎng)rs改變前、后的實(shí)測(cè)緩沖二極管支路電流波形；

圖3緩沖電路參數(shù)改變后的陽(yáng)極電流、陽(yáng)極電壓波形

如圖5所示的緩沖二極管反向恢復(fù)特性曲線，t>t5后的緩沖二極管上電流近似認(rèn)為是1條二次曲線，可以較好地說(shuō)明問(wèn)題。曲線方程為：(1)(2)

式中trr—緩沖二極管恢復(fù)時(shí)間;

t5—ids=Ism的時(shí)間；

Ido—t=t7時(shí)緩沖二極管的電流值。

圖4緩沖二極管恢復(fù)反向阻斷能力后的ids，irs波形

3陽(yáng)極電壓波形仿真

利用GTO陽(yáng)極電壓與陽(yáng)極電流間的數(shù)學(xué)模型，使用MATLAB語(yǔ)言進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，可由實(shí)測(cè)的陽(yáng)極電流波形及緩沖電路參數(shù)得到陽(yáng)極電壓的仿真波形。仿真波形與實(shí)測(cè)波形相比，誤差極小。如圖6所示，圖中曲線為CS=2μF及5μF條件下實(shí)際測(cè)得的陽(yáng)極電壓波形及相應(yīng)的仿真波形?？梢?jiàn)，仿真精度可滿足尋優(yōu)要求。

4緩沖電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

4.1目標(biāo)函數(shù)的確定

下面具體討論可以判斷緩沖電路參數(shù)設(shè)置是否合理的指標(biāo)。

圖5緩沖二極管的反向恢復(fù)特性

（1）GTO關(guān)斷過(guò)程中存在幾個(gè)極其重要的動(dòng)態(tài)參數(shù)，包括尖峰電壓Up，峰值功耗Pfm，陽(yáng)極電壓上升率dua/dt，陽(yáng)極再加電壓峰值UDM。這些動(dòng)態(tài)參數(shù)過(guò)高會(huì)導(dǎo)致GTO的失效，即GTO對(duì)這些動(dòng)態(tài)參數(shù)的承受能力是有限的。設(shè)這些動(dòng)態(tài)參數(shù)的極限值分別為（Up）m，（Pfm）m，（UDM）m，(dua/dt)m，(Urm－E)m。則可知，實(shí)際中GTO關(guān)斷過(guò)程中的動(dòng)態(tài)參數(shù)值與其極限值的比值越小，說(shuō)明GTO裝置工作性能越好。由于實(shí)用時(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)值與緩沖電路參數(shù)密切相關(guān)，可以說(shuō)，一旦GTO及門極驅(qū)動(dòng)電路確定，則GTO關(guān)斷時(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)值將取決于緩沖電路參數(shù)。因此，實(shí)際工作時(shí)的動(dòng)態(tài)參數(shù)值與其所能承受的極限值的比值，包括Up/(Up)m，UDM/（UDM）m，(dua/dt)/(dua/dt)m，Pfm/（Pfm）m，(Urm－E)m可作為衡量緩沖電路參數(shù)設(shè)置是否合理的指標(biāo)。這些比值越小，則說(shuō)明緩沖回路參數(shù)設(shè)置越優(yōu)。

（2）GTO工作過(guò)程中的GTO關(guān)斷能耗Eoff及緩沖電路能耗Esb是衡量GTO裝置工作性能的重要參數(shù)。這些參數(shù)過(guò)大，雖可能不會(huì)使GTO在短時(shí)間內(nèi)失效，但會(huì)使整個(gè)裝置的能耗提高，進(jìn)而影響裝置的工作穩(wěn)定性、可靠性。因而，我們可以把Eoff，Esb與一特定值（Eoff）m，(Esb)m的比值作為衡量GTO裝置性能的指標(biāo)。因Eoff，Esb與緩沖電路參數(shù)密切相關(guān)，故以上兩個(gè)比值Eoff/（Eoff）m，Esb/(Esb)m也可作為衡量緩沖電路參數(shù)設(shè)置是否合理的指標(biāo)。此兩個(gè)比值越小，則說(shuō)明緩沖電路參數(shù)設(shè)置越好。

（3）GTO的開(kāi)通時(shí)間ton及關(guān)斷時(shí)間toff直接關(guān)系到整個(gè)GTO裝置的工作頻率極限值的大小。ton，toff越小，則GTO裝置的工作頻率就可提得越高。其極限值為fmax=1/(ton＋toff)。因此，ton，toff的值關(guān)系到整個(gè)裝置的工作性能。ton＋toff與某特定值tm的比值可作為衡量GTO裝置頻率性能的指標(biāo)。同樣，ton，toff的大小與緩沖電路參數(shù)關(guān)系極大。例如，如緩沖電路參數(shù)為CS，RS，則不可能使GTO開(kāi)通時(shí)間低于5RSCS。因此，（ton＋toff）/tm可作為衡量緩沖電路參數(shù)設(shè)置是否合理的指標(biāo)。此比值越小，則說(shuō)明緩沖電路參數(shù)設(shè)置越好。其中，tm可定為CS，RS取其尋優(yōu)空間上限值時(shí)的開(kāi)關(guān)時(shí)間。

（4）考慮到緩沖二極管動(dòng)態(tài)特性的改善會(huì)導(dǎo)致其功率特性變壞。可把存儲(chǔ)電荷Qr與其特定值的比值Qr/(Qr)m，恢復(fù)時(shí)間trr與某特定值的比值trr/(trr)m，這兩個(gè)比值作為衡量GTO裝置功率特性，同時(shí)也是反映GTO裝置工作性能的指標(biāo)。兩個(gè)比值越小，則緩沖電路參數(shù)越優(yōu)。其中：(Qr)m，(trr)m可定為實(shí)際尋優(yōu)空間的上限值。

由上述分析可知，緩沖電路優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)J可定義為：式中（Up）m，（UDM）m，(dUa/dt)m，（Pfm）m，(Urm－E)m分別為GTO關(guān)斷過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)的極限值；

　　Up，UDM，dua/dt，Pfm為在特定條件下的GTO動(dòng)態(tài)參數(shù)值；

圖6GTO仿真波形與實(shí)測(cè)波形的比較

（Eoff）m，(Esb)m，tm為根據(jù)實(shí)際要求確定的特定值；

k1，k2，k3，k4為根據(jù)各項(xiàng)指標(biāo)的重要程度確定的系數(shù)。其值可根據(jù)具體要求確定，一般可使k2>k1>k3>k4。

4.2約束條件的確定

GTO在關(guān)斷過(guò)程中所能承受的動(dòng)態(tài)參數(shù)極限值可作為尋優(yōu)的約束條件。具體的講，有以下幾項(xiàng)：

①Up<(Up)m; ② UDM<(UDM)m; ③ dua/dt<(dua/dt)m; ④ Pfm<(Pfm)m; ⑤ (E－ Urm)<(E－ Urm)m; ⑥ ton＋ toff<1/f， f為 GTO裝 置 的 工 作 頻 率 。

4.3尋優(yōu)程序框圖

如圖7示，框圖中（Cs）max，(Cs)min，(Rs)max，(Rs)min，(Qr)max，(Qr)min，(trr)max，(trr)min為尋優(yōu)空間的上、下限;N1，N2，N3，N4為步長(zhǎng)系數(shù)。

4.4尋優(yōu)程序運(yùn)行結(jié)果

圖7尋優(yōu)程序框圖

優(yōu)化設(shè)計(jì)目的：KG－91－2－5GTO使用于工作參數(shù)為600A，1000VGTO斬波器中。GTO的額定參數(shù)為1000A，2300V，確定最佳緩沖電路參數(shù)。

尋優(yōu)程序參數(shù)的確定：

（1）尋優(yōu)空間的確定

CS：從1μF到10μF，步長(zhǎng)設(shè)為1μF，即N1=9；

RS：從1Ω到21Ω，步長(zhǎng)設(shè)為5Ω，即N2=4；

Qr：從100μC到400μC，步長(zhǎng)設(shè)為100μC，即N3=3；

trr：從1μs到7μs，步長(zhǎng)設(shè)為2μs，即N4=3；

（2）目標(biāo)函數(shù)的確定

考慮到GTO實(shí)際使用參數(shù)與其額定參數(shù)相差較大，故確定目標(biāo)函數(shù)時(shí)選用較大的K2，突出能耗指標(biāo)，使裝置在優(yōu)化參數(shù)條件下工作時(shí)有較低的能耗。

實(shí)際選?。?/P>

K1=1；K2=5；K3=2；K4=1。

程序運(yùn)行結(jié)果：

目標(biāo)函數(shù)極小值：Jmin=16.74;

最佳緩沖電路參數(shù)：CS=3μF；RS=6Ω；

Qr=200μC；trr=3μs。

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