IGCT在極低頻大功率發射機中的應用＊

胡金喜 查 明 潘 銳 劉 慶

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

20世紀五、六十年代，美、蘇等國的科學家就開始了極低頻（0.1～30Hz）電磁技術研究，主要用于陸地指揮中心與深水潛艇之間的通信，隨著科技的進步和更深入的研究，現在很多國家已經將此項技術應用到地球物理和地震預測等領域。幾年前，多家單位聯合向國家發改委申請“極低頻探地（Wireless Electro Magnetic，WEM）工程”項目，擬在我國建造首座民用大功率極低頻發射臺，形成基本覆蓋我國國土和領海區域的高信噪比電磁波信號，開展地下資源探測和地震預報等方面的探索性研究和工程試驗研究，為相關領域的前沿科技研究提供新的技術手段和開放性的公共服務平臺［1～4］。

在WEM 項目中，極低頻大功率發射機是整個發射臺中的核心設備，其中，功率放大器的研制是發射機系統中的最為關鍵的技術之一，系統相關參數計算、電路形式的構成、元器件的選型、冷卻方式和結構組成等諸多因素均關系到系統的效率、精度、安全性、可靠性和穩定性等多項功能或性能技術指標。早期大功率發射機功率放大器選用電子管作為主功率器件，隨著電力電子技術的發展，半導體功率器件層出不窮，其組成的固態發射機優越性遠遠超過了電子管發射機［5～6］。

現在市場上可以用于極低頻發射機的電力電子器件非常多，從天線負載的阻抗值、功率等級、工程的性價比、系統效率、可靠性和工程技術難度等多個方面進行考慮，另外，見于目前市場上的集成門極換流晶閘管（IGCT，Integrated Gate Commutated Thyristors）單只模塊容量大（工作電壓可達6kV，工作電流可達4kA），激勵信號接口應用方便，故本工程就選用IGCT 作為功放電路的主功率器件。本文結合固態大功率發射機功放電路的基本原理和IGCT 器件的優越性能，介紹這種器件在WEM 中的工程應用［7～8］。

2 發射機功放原理

一般的，固態大功率發射機功率放大器的基本原理是：采用如圖1所示的電路，由A1、A2、B1和B2四只可控功率器件組成一個“H”形單相逆變橋，通過控制功率器件門極驅動信號與激勵源的時序一致，依次開通（或關斷）四只功率器件，形成丁類開關式放大［9～10］。然后，用大容量的電容器組與天線回路的感抗進行調諧，通過饋線將大功率載波信號傳輸到極低頻天線負載上，載波能量向空間輻射。簡化原理如圖1所示。

圖1中，對角的兩只功率器件（A1和B1，A2和B2）同時導通和關斷。同一側（A1和A2，B1和B2）的器件交替導通和關斷，且激勵信號相差180°，即當上邊的器件關斷（導通）時，下邊的就導通（關斷）。因此A、B 兩點之間的電位按照激勵源輸入的激勵信號設定的頻率（或脈寬），輪流在直流電源的“＋”和“－”之間切換，輸出至天線負載上的電流和電壓方向會根據信號源時序而交替變化，從而實現小信號的功率放大。

圖1 發射機功放簡化原理圖

3 IGCT的特性和工程選型

IGCT 是一種用于巨型電力電子成套設備中的新型電力半導體器件。IGCT 使變流裝置在功率、可靠性、開關速度、效率、成本、重量等方面都取得了巨大進展，給電力電子成套裝置帶來了新的飛躍。IGCT 是將GTO 芯片與反并聯二極管和門極驅動電路集成在一起，再與其門極驅動器在外圍以低電感方式連接，結合了晶體管的穩定關斷能力和晶體管低通態損耗的優點，在導通階段發揮晶閘管的性能，關斷階段呈現晶體管的特性。IGCT 具有電流大、電壓高、開關頻率較高、可靠性高、結構緊湊、損耗低等特點，而且制造成本低、成品率高。通用型IGCT 實物圖如圖2所示。

由第二章的原理并結合工程中天線負載阻抗范圍和最大輸出功率值等參數進行計算得到功放電路接入阻抗范圍為5～20Ω；功放最大輸出電流為300A，最高輸出電壓為3000V，功放輸出容量約為1.0MVA。

圖2 通用型IGCT 實物圖

4 IGCT 門極接口電路及故障診斷［11～12］

IGCT 門極單元的內部組成和外部接口關系圖如圖3所示。門極單元的印制板電路直接與GCT的三個電極壓裝連接，此結構可以大大減小類似器件引線上的分布電感。門極單元對外接口有驅動電源接口和信號接口。

圖3 IGCT 門極單元內部組成及接口

在發射機的H 橋式功放電路中，每個IGCT的門極單元電位不同，所以供給驅動的電源需要采取隔離措施。根據不同場合的應用所需的隔離電壓等級不一樣，本工程中選用專用隔離電源，輸入電壓24V，輸出電壓為直流35V，輸入輸出之間的隔離電壓大于10kV。

門極單元驅動的激勵信號（CS）和狀態反饋信號（SF）均采用光接口，信號的接收和發送均通過光纖實現傳輸，這樣就增強了門極單元驅動信號的抗干擾能力，同時具有良好的絕緣性。根據廠家提供的CS和SF時序關系，發射機控制檢測電路實現供電故障、門極－陰極開路、門極－陰極短路和輸入／輸出不符等多種保護。

根據器件資料以及進行試驗測試，歸納不同狀態類型下IGCT 門極單元的SF與CS關系如下：

1）IGCT工作正常時，SF與CS反向且延時約為7～15μs；

2）IGCT 供電欠壓或過壓時，SF 與CS同相且延時約為7～15μs；

3）IGCT 開路或CS持續低電平時，SF 為持續高電平（發光）；

4）IGCT 門極－陰極短路時，SF 為持續低電平（不發光），不受CS影響；

5）IGCT 故障或與CS信號不符時，SF與CS之間的時序關系變化由具體故障情況決定。

反饋信號SF工作狀態類型與控制信號CS直接的時序圖如圖4所示：

圖4 IGCT 門極單元SF與CS狀態類型時序

根據上述五種類型的工作狀態反饋信號SF 與CS之間的時序關系，控制檢測電路對其進行邏輯處理，輸出工作狀態信息和發出控制指令，一旦檢測出故障即可切斷主電路直流電源的接入開關并閉鎖IGCT的激勵信號。

另外，門極單元尾部設置4個發光二極管，用視覺反饋來顯示IGCT 工作狀態，用戶可以直接通過觀察4個二極管的發光情況來分析故障原因，如圖5所示。

根據CS和SF時序關系和LED 狀態指示燈信息列出表1所示的IGCT 工作狀態診斷表。

圖5 IGCT 發光二極管狀態指示燈示意圖

5 IGCT 閥串壓裝

通常，工程上IGCT 都是采用緊固件、反并二極管和冷卻水包壓裝成閥串，再通過母線排進行連接。

為了達到良好的散熱效果，同時又不損傷器件，對IGCT的壓裝應有以下要求：

1）組件疊放順序要保證母線排連接最短；

2）壓力要符合器件耐機械強度的要求；

3）壓裝組件要保證器件散熱面受力均勻；

4）壓裝組件要滿足電氣絕緣的設計要求；

5）使用有效期內，組件有穩定的機械性能；

6）應在設備上的進行安裝和維護方便。

表1 IGCT 工作狀態診斷表

圖6 兩只IGCT 在中間的形式閥串壓裝

圖7 兩只二極管在中間的形式閥串壓裝

功放電路的H 橋由兩個橋臂（圖1中A1A2和B1B2）組成，每個橋臂中含有兩個IGCT 和兩個反并二極管。為達到上述要求，一個橋臂組成一個閥串，這樣，每個閥串包含兩只IGCT、兩只反并二極管、五只水冷散熱器、兩個絕緣墊板、4個蝶狀簧片和緊固件等。

實際應用時，閥串有兩種形式的壓裝。如圖6 和圖7所示。

僅僅依靠GCT的壓裝結構來固定門極單元是遠遠不夠的，還應該在門極屏蔽盒尾部的邊緣加固定支撐件。由于兩個IGCT的門極之間電位差很大，采用圖5形式的閥串兩個IGCT 門極間距離太近，難以達到絕緣要求，圖6形式的閥串更適合工程應用。

6 結語

我國已經成功引進了IGCT 器件的研制技術，并且有產品投放市場。鑒于IGCT 在電力設備中的廣泛應用，另外，IGCT 器件結合了GTO 和IGBT的優點，具有關斷能力強、損耗小、可靠性高以及應用簡單等特點。本文根據固態大功率發射機功放電路的原理，詳細介紹了IGCT 作為主功率器件在WEM 項目功率放大電路中的工程應用。

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