如何在设计GTO逆变器时合理设计缓冲电路参数

1 引言

缓冲电路参数值直接影响GTO的关断性能及整个GTO逆变器的工作性能。因此如何在设计GTO逆变器时合理设计缓冲电路参数，便成为重要的问题。

本文通过对GTO关断过程中阳极电流与阳极电压波形的分析，提出并论证了GTO阳极电流波形与缓冲电路参数无关、缓冲二极管的反向恢复过程与缓冲电路参数无关的论点。在此基础上，提出了一种简便、实用的缓冲电路参数优化设计方案。可根据对GTO装置性能的具体要求确定GTO缓冲电路元件  优参数。在对GTO关断过程中阳极电压及关断功耗波形进行仿真时，为提高仿真，采用了实测的阳极关断电流波形。并据此推导出关断功耗波形。仿真结果与实验波形比较，误差极小。本文提出了一种以“综合指标”作为目标函数的缓冲电路参数寻优方案。

2 利用阳极电流波形对阳极电压波形仿真的前提条件

GTO缓冲电路可等效为图1所示电路。如要利用实测的阳极电流对阳极电压进行仿真，首先需要证明以下两个条件成立：

（1）GTO阳极电流波形与缓冲电路参数无关；

（2）缓冲二极管的反向恢复过程与缓冲电路参数无关。

GTO缓冲电路示意图

图1 GTO缓冲电路示意图

2.1 GTO阳极电流波形与缓冲电路参数无关

图2为GTO关断时的阳极电流波形。整个过程可分为3个阶段：即存储时间段、下降时间段及拖尾时间段。

GTO阳极关断电流波形示意图

图2 GTO阳极关断电流波形示意图

在存储时间段及下降时间段中，存储时间ts及下降时间tf值仅取决于门极抽取能力及GTO内部结构，而与缓冲电路参数无关。此两段的阳极电流波形也与缓冲电路参数无关。

在拖尾时间段，拖尾电流基本上由下降时间段的阳极电流波形及结温决定，与缓冲电路参数无关。

图3中8条曲线是CS=2，3，4，5μF时的阳极电流及阳极电压波形。可见，在缓冲电路参数变化后，阳极电压波形变化较大，而4条阳极电流曲线基本上完全重合。由此实验可验证以上分析的正确性。

缓冲电路参数改变后的阳极电流

图3 缓冲电路参数改变后的阳极电流、阳极电压波形

图中曲线（1），（2），（3），（4）为缓冲电路参数改变后的实测阳极电压波形；曲线（5），（6），（7），（8）为缓冲电路参数改变后的实测阳极电流波形。

2.2 缓冲二极管的反向恢复过程与缓冲电路参数无关

储存电荷Qr及恢复时间trr是缓冲二极管反向恢复过程中两个重要参数。在分析GTO关断过程时，可近似认为Qr，trr为常量。由图4可证明这一点。图4是改变缓冲电阻支路分布电感后测得的缓冲电阻支路电流及缓冲二极管支路电流。可见，在Lrs改变后，irs变化很大，而ids几乎不变。即可认为trr只与缓冲二极管本身的特性有关。

缓冲二极管恢复反向阻断能力后的ids

  
图4 缓冲二极管恢复反向阻断能力后的ids，irs波形

图中曲线（1），（2），（3）为Lrs改变前、后的实测缓冲电阻支路电流波形。

曲线（4），（5），（6）为Lrs改变前、后的实测缓冲二极管支路电流波形；

如图5所示的缓冲二极管反向恢复特性曲线，t》t5后的缓冲二极管上电流近似认为是1条二次曲线，可以较好地说明问题。曲线方程为：公式（1）公式（2）

式中trr—缓冲二极管恢复时间;

t5—ids=Ism的时间；

Ido—t=t7时缓冲二极管的电流值。

缓冲二极管的反向恢复特性

3 阳极电压波形仿真

利用GTO阳极电压与阳极电流间的数学模型，使用MATLAB语言进行计算机仿真，可由实测的阳极电流波形及缓冲电路参数得到阳极电压的仿真波形。仿真波形与实测波形相比，误差极小。如图6所示，图中曲线为CS=2μF及5μF条件下实际测得的阳极电压波形及相应的仿真波形。可见，仿真  可满足寻优要求。