利用實測GTO陽極電流波形設計逆變器緩沖電路

摘要：緩沖電路參數值對GTO的關斷性能及整個GTO逆變器的工作性能起著至關重要的作用。本文通過對GTO關斷過程中陽極電流與陽極電壓波形的分析，提出一種以“綜合指標”作為目標函數的緩沖電路參數尋優方案，可根據對GTO裝置性能的具體要求確定GTO緩沖電路元件的最佳參數。

關鍵詞：GTO緩沖電路設計陽極電流

中圖法分類號：TM464文獻標識碼：A文章編號：0219?2713(2000)09?484?03

1引言

緩沖電路參數值直接影響GTO的關斷性能及整個GTO逆變器的工作性能。因此如何在設計GTO逆變器時合理設計緩沖電路參數，便成為重要的問題。

本文通過對GTO關斷過程中陽極電流與陽極電壓波形的分析，提出并論證了GTO陽極電流波形與緩沖電路參數無關、緩沖二極管的反向恢復過程與緩沖電路參數無關的論點。在此基礎上，提出了一種簡便、實用的緩沖電路參數優化設計方案。可根據對GTO裝置性能的具體要求確定GTO緩沖電路元件最優參數。在對GTO關斷過程中陽極電壓及關斷功耗波形進行仿真時，為提高仿真精度，采用了實測的陽極關斷電流波形。并據此推導出關斷功耗波形。仿真結果與實驗波形比較，誤差極小。本文提出了一種以“綜合指標”作為目標函數的緩沖電路參數尋優方案。

2利用陽極電流波形對陽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。如要利用實測的陽極電流對陽極電壓進行仿真，首先需要證明以下兩個條件成立：

（1）GTO陽極電流波形與緩沖電路參數無關；

（2）緩沖二極管的反向恢復過程與緩沖電路參數無關。

2.1GTO陽極電流波形與緩沖電路參數無關

圖2為GTO關斷時的陽極電流波形。整個過程可分為3個階段：即存儲時間段、下降時間段及拖尾時間段。

在存儲時間段及下降時間段中，存儲時間ts及下降時間tf值僅取決于門極抽取能力及GTO內部結構，而與緩沖電路參數無關。此兩段的陽極電流波形也與緩沖電路參數無關。

在拖尾時間段，拖尾電流基本

圖1GTO緩沖電路示意圖

圖2GTO陽極關斷電流波形示意圖

上由下降時間段的陽極電流波形及結溫決定，與緩沖電路參數無關。

圖3中8條曲線是CS=2，3，4，5μF時的陽極電流及陽極電壓波形。可見，在緩沖電路參數變化后，陽極電壓波形變化較大，而4條陽極電流曲線基本上完全重合。由此實驗可驗證以上分析的正確性。

　　圖中曲線（1）,（2）,（3）,（4）為緩沖電路參數改變后的實測陽極電壓波形；

曲線（5）,（6）,（7）,（8）為緩沖電路參數改變后的實測陽極電流波形。

2.2緩沖二極管的反向恢復過程與緩沖電路參數無關

儲存電荷Qr及恢復時間trr是緩沖二極管反向恢復過程中兩個重要參數。在分析GTO關斷過程時，可近似認為Qr，trr為常量。由圖4可證明這一點。圖4是改變緩沖電阻支路分布電感后測得的緩沖電阻支路電流及緩沖二極管支路電流。可見，在Lrs改變后，irs變化很大，而ids幾乎不變。即可認為trr只與緩沖二極管本身的特性有關。

圖中曲線（1），（2），（3）為Lrs改變前、后的實測緩沖電阻支路電流波形。

曲線（4），（5），（6）為Lrs改變前、后的實測緩沖二極管支路電流波形；

圖3緩沖電路參數改變后的陽極電流、陽極電壓波形

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

式中trr—緩沖二極管恢復時間;

t5—ids=Ism的時間；

Ido—t=t7時緩沖二極管的電流值。

圖4緩沖二極管恢復反向阻斷能力后的ids，irs波形

3陽極電壓波形仿真

利用GTO陽極電壓與陽極電流間的數學模型，使用MATLAB語言進行計算機仿真，可由實測的陽極電流波形及緩沖電路參數得到陽極電壓的仿真波形。仿真波形與實測波形相比，誤差極小。如圖6所示，圖中曲線為CS=2μF及5μF條件下實際測得的陽極電壓波形及相應的仿真波形。可見，仿真精度可滿足尋優要求。

4緩沖電路參數優化設計方案

4.1目標函數的確定

下面具體討論可以判斷緩沖電路參數設置是否合理的指標。

圖5緩沖二極管的反向恢復特性

（1）GTO關斷過程中存在幾個極其重要的動態參數，包括尖峰電壓Up，峰值功耗Pfm，陽極電壓上升率dua/dt，陽極再加電壓峰值UDM。這些動態參數過高會導致GTO的失效，即GTO對這些動態參數的承受能力是有限的。設這些動態參數的極限值分別為（Up）m，（Pfm）m，（UDM）m，(dua/dt)m，(Urm－E)m。則可知，實際中GTO關斷過程中的動態參數值與其極限值的比值越小，說明GTO裝置工作性能越好。由于實用時的動態參數值與緩沖電路參數密切相關，可以說，一旦GTO及門極驅動電路確定，則GTO關斷時的動態參數值將取決于緩沖電路參數。因此，實際工作時的動態參數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設置是否合理的指標。這些比值越小，則說明緩沖回路參數設置越優。

（2）GTO工作過程中的GTO關斷能耗Eoff及緩沖電路能耗Esb是衡量GTO裝置工作性能的重要參數。這些參數過大，雖可能不會使GTO在短時間內失效，但會使整個裝置的能耗提高，進而影響裝置的工作穩定性、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。因Eoff，Esb與緩沖電路參數密切相關，故以上兩個比值Eoff/（Eoff）m，Esb/(Esb)m也可作為衡量緩沖電路參數設置是否合理的指標。此兩個比值越小，則說明緩沖電路參數設置越好。

（3）GTO的開通時間ton及關斷時間toff直接關系到整個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的值關系到整個裝置的工作性能。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。同樣，ton，toff的大小與緩沖電路參數關系極大。例如，如緩沖電路參數為CS，RS，則不可能使GTO開通時間低于5RSCS。因此，（ton＋toff）/tm可作為衡量緩沖電路參數設置是否合理的指標。此比值越小，則說明緩沖電路參數設置越好。其中，tm可定為CS，RS取其尋優空間上限值時的開關時間。

（4）考慮到緩沖二極管動態特性的改善會導致其功率特性變壞。可把存儲電荷Qr與其特定值的比值Qr/(Qr)m，恢復時間trr與某特定值的比值trr/(trr)m，這兩個比值作為衡量GTO裝置功率特性，同時也是反映GTO裝置工作性能的指標。兩個比值越小，則緩沖電路參數越優。其中：(Qr)m，(trr)m可定為實際尋優空間的上限值。

由上述分析可知，緩沖電路優化的目標函數J可定義為：式中（Up）m，（UDM）m，(dUa/dt)m，（Pfm）m，(Urm－E)m分別為GTO關斷過程中動態參數的極限值；

　　Up，UDM，dua/dt，Pfm為在特定條件下的GTO動態參數值；

圖6GTO仿真波形與實測波形的比較

（Eoff）m，(Esb)m，tm為根據實際要求確定的特定值；

k1，k2，k3，k4為根據各項指標的重要程度確定的系數。其值可根據具體要求確定，一般可使k2>k1>k3>k4。

4.2約束條件的確定

GTO在關斷過程中所能承受的動態參數極限值可作為尋優的約束條件。具體的講，有以下幾項：

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為尋優空間的上、下限;N1，N2，N3，N4為步長系數。

4.4尋優程序運行結果

圖7尋優程序框圖

優化設計目的：KG－91－2－5GTO使用于工作參數為600A，1000VGTO斬波器中。GTO的額定參數為1000A，2300V，確定最佳緩沖電路參數。

尋優程序參數的確定：

（1）尋優空間的確定

CS：從1μF到10μF，步長設為1μF，即N1=9；

RS：從1Ω到21Ω，步長設為5Ω，即N2=4；

Qr：從100μC到400μC，步長設為100μC，即N3=3；

trr：從1μs到7μs，步長設為2μs，即N4=3；

（2）目標函數的確定

考慮到GTO實際使用參數與其額定參數相差較大，故確定目標函數時選用較大的K2，突出能耗指標，使裝置在優化參數條件下工作時有較低的能耗。

實際選取：

K1=1；K2=5；K3=2；K4=1。

程序運行結果：

目標函數極小值：Jmin=16.74;

最佳緩沖電路參數：CS=3μF；RS=6Ω；

Qr=200μC；trr=3μs。

參考文獻

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