胡金喜 查 明 潘 銳 劉 慶

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079）

1 引言

20世紀(jì)五、六十年代，美、蘇等國的科學(xué)家就開始了極低頻（0.1～30Hz）電磁技術(shù)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(jìn)步和更深入的研究，現(xiàn)在很多國家已經(jīng)將此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用到地球物理和地震預(yù)測等領(lǐng)域。幾年前，多家單位聯(lián)合向國家發(fā)改委申請“極低頻探地（Wireless Electro Magnetic，WEM）工程”項(xiàng)目，擬在我國建造首座民用大功率極低頻發(fā)射臺(tái)，形成基本覆蓋我國國土和領(lǐng)海區(qū)域的高信噪比電磁波信號(hào)，開展地下資源探測和地震預(yù)報(bào)等方面的探索性研究和工程試驗(yàn)研究，為相關(guān)領(lǐng)域的前沿科技研究提供新的技術(shù)手段和開放性的公共服務(wù)平臺(tái)［1～4］。

在WEM 項(xiàng)目中，極低頻大功率發(fā)射機(jī)是整個(gè)發(fā)射臺(tái)中的核心設(shè)備，其中，功率放大器的研制是發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中的最為關(guān)鍵的技術(shù)之一，系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)計(jì)算、電路形式的構(gòu)成、元器件的選型、冷卻方式和結(jié)構(gòu)組成等諸多因素均關(guān)系到系統(tǒng)的效率、精度、安全性、可靠性和穩(wěn)定性等多項(xiàng)功能或性能技術(shù)指標(biāo)。早期大功率發(fā)射機(jī)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(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體功率器件層出不窮，其組成的固態(tài)發(fā)射機(jī)優(yōu)越性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了電子管發(fā)射機(jī)［5～6］。

現(xiàn)在市場上可以用于極低頻發(fā)射機(jī)的電力電子器件非常多，從天線負(fù)載的阻抗值、功率等級(jí)、工程的性價(jià)比、系統(tǒng)效率、可靠性和工程技術(shù)難度等多個(gè)方面進(jìn)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(dá)6kV，工作電流可達(dá)4kA），激勵(lì)信號(hào)接口應(yīng)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(jié)合固態(tài)大功率發(fā)射機(jī)功放電路的基本原理和IGCT 器件的優(yōu)越性能，介紹這種器件在WEM 中的工程應(yīng)用［7～8］。

2 發(fā)射機(jī)功放原理

一般的，固態(tài)大功率發(fā)射機(jī)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(gè)“H”形單相逆變橋，通過控制功率器件門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)與激勵(lì)源的時(shí)序一致，依次開通（或關(guān)斷）四只功率器件，形成丁類開關(guān)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(jìn)行調(diào)諧，通過饋線將大功率載波信號(hào)傳輸?shù)綐O低頻天線負(fù)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(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷。同一側(cè)（A1和A2，B1和B2）的器件交替導(dǎo)通和關(guān)斷，且激勵(lì)信號(hào)相差180°，即當(dāng)上邊的器件關(guān)斷（導(dǎo)通）時(shí)，下邊的就導(dǎo)通（關(guān)斷）。因此A、B 兩點(diǎn)之間的電位按照激勵(lì)源輸入的激勵(lì)信號(hào)設(shè)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(fù)載上的電流和電壓方向會(huì)根據(jù)信號(hào)源時(shí)序而交替變化，從而實(shí)現(xiàn)小信號(hào)的功率放大。

圖1 發(fā)射機(jī)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(shè)備中的新型電力半導(dǎo)體器件。IGCT 使變流裝置在功率、可靠性、開關(guān)速度、效率、成本、重量等方面都取得了巨大進(jìn)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(lián)二極管和門極驅(qū)動(dòng)電路集成在一起，再與其門極驅(qū)動(dòng)器在外圍以低電感方式連接，結(jié)合了晶體管的穩(wěn)定關(guān)斷能力和晶體管低通態(tài)損耗的優(yōu)點(diǎn)，在導(dǎo)通階段發(fā)揮晶閘管的性能，關(guān)斷階段呈現(xiàn)晶體管的特性。IGCT 具有電流大、電壓高、開關(guān)頻率較高、可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊、損耗低等特點(diǎn)，而且制造成本低、成品率高。通用型IGCT 實(shí)物圖如圖2所示。

由第二章的原理并結(jié)合工程中天線負(fù)載阻抗范圍和最大輸出功率值等參數(shù)進(jìn)行計(jì)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(shí)物圖

4 IGCT 門極接口電路及故障診斷［11～12］

IGCT 門極單元的內(nèi)部組成和外部接口關(guān)系圖如圖3所示。門極單元的印制板電路直接與GCT的三個(gè)電極壓裝連接，此結(jié)構(gòu)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(qū)動(dòng)電源接口和信號(hào)接口。

圖3 IGCT 門極單元內(nèi)部組成及接口

在發(fā)射機(jī)的H 橋式功放電路中，每個(gè)IGCT的門極單元電位不同，所以供給驅(qū)動(dòng)的電源需要采取隔離措施。根據(jù)不同場合的應(yīng)用所需的隔離電壓等級(jí)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(qū)動(dòng)的激勵(lì)信號(hào)（CS）和狀態(tài)反饋信號(hào)（SF）均采用光接口，信號(hào)的接收和發(fā)送均通過光纖實(shí)現(xiàn)傳輸，這樣就增強(qiáng)了門極單元驅(qū)動(dòng)信號(hào)的抗干擾能力，同時(shí)具有良好的絕緣性。根據(jù)廠家提供的CS和SF時(shí)序關(guān)系，發(fā)射機(jī)控制檢測電路實(shí)現(xiàn)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(hù)。

根據(jù)器件資料以及進(jìn)行試驗(yàn)測試，歸納不同狀態(tài)類型下IGCT 門極單元的SF與CS關(guān)系如下：

1）IGCT工作正常時(shí)，SF與CS反向且延時(shí)約為7～15μs；

2）IGCT 供電欠壓或過壓時(shí)，SF 與CS同相且延時(shí)約為7～15μs；

3）IGCT 開路或CS持續(xù)低電平時(shí)，SF 為持續(xù)高電平（發(fā)光）；

4）IGCT 門極－陰極短路時(shí)，SF 為持續(xù)低電平（不發(fā)光），不受CS影響；

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

反饋信號(hào)SF工作狀態(tài)類型與控制信號(hào)CS直接的時(shí)序圖如圖4所示：

圖4 IGCT 門極單元SF與CS狀態(tài)類型時(shí)序

根據(jù)上述五種類型的工作狀態(tài)反饋信號(hào)SF 與CS之間的時(shí)序關(guān)系，控制檢測電路對其進(jìn)行邏輯處理，輸出工作狀態(tài)信息和發(fā)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(guān)并閉鎖IGCT的激勵(lì)信號(hào)。

另外，門極單元尾部設(shè)置4個(gè)發(fā)光二極管，用視覺反饋來顯示IGCT 工作狀態(tài)，用戶可以直接通過觀察4個(gè)二極管的發(fā)光情況來分析故障原因，如圖5所示。

根據(jù)CS和SF時(shí)序關(guān)系和LED 狀態(tài)指示燈信息列出表1所示的IGCT 工作狀態(tài)診斷表。

圖5 IGCT 發(fā)光二極管狀態(tài)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(jìn)行連接。

為了達(dá)到良好的散熱效果，同時(shí)又不損傷器件，對IGCT的壓裝應(yīng)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(jī)械強(qiáng)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(shè)計(jì)要求；

5）使用有效期內(nèi)，組件有穩(wěn)定的機(jī)械性能；

6）應(yīng)在設(shè)備上的進(jìn)行安裝和維護(hù)方便。

表1 IGCT 工作狀態(tài)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(gè)橋臂（圖1中A1A2和B1B2）組成，每個(gè)橋臂中含有兩個(gè)IGCT 和兩個(gè)反并二極管。為達(dá)到上述要求，一個(gè)橋臂組成一個(gè)閥串，這樣，每個(gè)閥串包含兩只IGCT、兩只反并二極管、五只水冷散熱器、兩個(gè)絕緣墊板、4個(gè)蝶狀簧片和緊固件等。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，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(jié)構(gòu)來固定門極單元是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還應(yīng)該在門極屏蔽盒尾部的邊緣加固定支撐件。由于兩個(gè)IGCT的門極之間電位差很大，采用圖5形式的閥串兩個(gè)IGCT 門極間距離太近，難以達(dá)到絕緣要求，圖6形式的閥串更適合工程應(yīng)用。

6 結(jié)語

我國已經(jīng)成功引進(jìn)了IGCT 器件的研制技術(shù)，并且有產(chǎn)品投放市場。鑒于IGCT 在電力設(shè)備中的廣泛應(yīng)用，另外，IGCT 器件結(jié)合了GTO 和IGBT的優(yōu)點(diǎn)，具有關(guān)斷能力強(qiáng)、損耗小、可靠性高以及應(yīng)用簡單等特點(diǎn)。本文根據(jù)固態(tài)大功率發(fā)射機(jī)功放電路的原理，詳細(xì)介紹了IGCT 作為主功率器件在WEM 項(xiàng)目功率放大電路中的工程應(yīng)用。

［1］卓賢軍，陸建勛，劉國棟，等.極低頻探地（WEM）工程［J］.中國工程科學(xué)，2011，13（9）：42－45.

［2］汪萍，常毓文，唐瑋，等.中國石油儲(chǔ)量現(xiàn)狀及變化特點(diǎn)［J］.特種油氣藏，2011，18（1）：12－15.

［3］Wang Chengmin，Zhou Shengkui，Zhao Yi，et al.Scientific Train of Thought and Methodological Innovation in the Intelligent Decision Support System for Earthquake Prediction in China［J］.Earthquake Research in China，1990，13（3）：409－417.

［4］石昆法.可控源大地音頻電磁法理論與應(yīng)用［M］.北京：科學(xué)出版社，1999.

［5］董穎輝，柳超，翟琦.甚低頻固態(tài)發(fā)射機(jī)功率器件分析［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008（11）：100－102.

［6］（美）Bimal K.Bose.現(xiàn)代電力電子學(xué)與交流傳動(dòng)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［7］劉文華，胡雨辰，劉丙，等.IGCT 和IECT—適用于STATCOM的新型大功率開關(guān)器件［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000（12）：66－70.

［8］P.K.Steimer and H.Gruning，et al.The IGCT－The Key Technology for Low Cost，High Reliable High Power Converters With Series Connected Turn－off Devices.EPE，Trondheim，1997.

［9］陳道煉.DC－AC逆變技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［10］劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［11］謝軍，孫忠獻(xiàn)，溫曉玲.IGCT 在礦井提升機(jī)斬波串級(jí)調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)電，2007（2）：73－74.

［12］B.Φdegard，R.Ernst，Applying IGCT’s，ABB Application Note 5SHY 42L6500，2002（12）.