电气传动

$i$	IGCT	DIODE
1	8.769	0.540 7	3.708	0.533 6
2	1.909	0.079 2	1.426	0.067 0
3	1.218	0.009 1	0.686	0.007 4
4	0.699	0.002 5	0.176	0.001 1

i

IGCT

DIODE

R i

/（K·kW^-1）

τ i

R i

/（K·kW^-1）

τ i

8.769

0.540 7

3.708

0.533 6

1.909

0.079 2

1.426

0.067 0

1.218

0.009 1

0.686

0.007 4

0.699

0.002 5

0.176

0.001 1

$i$	IGCT	DIODE
1	8.769	0.540 7	3.708	0.533 6
2	1.909	0.079 2	1.426	0.067 0
3	1.218	0.009 1	0.686	0.007 4
4	0.699	0.002 5	0.176	0.001 1

i

IGCT

DIODE

R i

/（K·kW^-1）

τ i

R i

/（K·kW^-1）

τ i

8.769

0.540 7

3.708

0.533 6

1.909

0.079 2

1.426

0.067 0

1.218

0.009 1

0.686

0.007 4

0.699

0.002 5

0.176

0.001 1

基于IGCT的中压制动单元设计

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孙传杰 , 田凯 , 许纹源 , 卢贝贝 , 李楠

电气传动 | 电力电子 2025,55(8): 33-39

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电气传动 | 电力电子 2025, 55(8): 33-39

基于IGCT的中压制动单元设计

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孙传杰, 田凯, 许纹源, 卢贝贝, 李楠

作者信息

天津电气科学研究院有限公司，天津 300180

孙传杰（1988—），男，硕士，高级工程师，Email：sun_c_j@126.com

Design of Medium Voltage Brake Unit Based on IGCT

Chuanjie SUN, Kai TIAN, Wenyuan XU, Beibei LU, Nan LI

Affiliations

Tianjin Research Institute of Electric Science Co.，Ltd.，Tianjin 300180，China

出版时间: 2025-08-20 doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd26071

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摘要

收起

针对变频器在工业场景中的不同应用，特别是无回馈功能的中压变频系统，设计了一种基于IGCT的制动单元。采用IGCT作为主要功率器件，对IGCT的参数和特性进行了分析。结合目前市场中常见的NPC型中压变频器拓扑，设计了相匹配的制动单元电路，并对系统的工作原理进行了描述。在器件损耗方面，评估了功率器件的结温，设计了散热水冷回路和压装结构。为了不影响直流母线电压的中点平衡，设计了独立的直流母线电压软件控制方法。最后，所设计的中压制动单元已经在工业现场应用于轧制金属复合材料的场合，证实了设计方案的可行性。

关键词

集成门极换流晶闸管IGCT / 制动单元 / 吸收回路 / 三电平NPC变频器 / 热损耗

Abstract

收起

A brake unit based on IGCT was designed for different applications of frequency converter in industrial scenes，especially the medium voltage frequency conversion system without feedback function. IGCT was used as the main power device，and the parameters and characteristics of IGCT was analyzed. According to the common topology of NPC medium voltage inverter in the market，the matching circuit of brake unit was designed，and the working principle of the system was described. In terms of device loss，the junction temperature of the power device was evaluated，and the water cooling circuit and the press assembly structure were designed. In order not to affect the midpoint balance of the DC bus voltage，an independent software control method was designed.Finally，the medium voltage brake unit designed has been applied to the occasion of rolling metal composite material in the indμstrial field，which confirmed the feasibility of the design scheme.

Key words

integrated gate-commutated thyristor（IGCT） / brake unit / absorbing circuit / three-level NPC inverter / thermal loss

引用本文

孙传杰, 田凯, 许纹源, 卢贝贝, 李楠. 基于IGCT的中压制动单元设计. 电气传动, 2025 , 55 (8) : 33 -39 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd26071

Chuanjie SUN, Kai TIAN, Wenyuan XU, Beibei LU, Nan LI. Design of Medium Voltage Brake Unit Based on IGCT[J]. Electric Drive, 2025 , 55 (8) : 33 -39 . DOI: 10.19457/j.1001-2095.dqcd26071

正文

收起

在工业应用中，变频器广泛应用于冶金、矿产等各领域的电机控制，对于频繁启动、频繁制动或快速制动的系统，需要配置相应的制动单元^[1-2]。在系统无回馈功能的情况下，电机工作在减速或下放重物时，处于再生发电状态，若不配置制动单元，将导致直流母线电压升高，进而可能超过变频器中功率器件、电容器的耐压值，造成器件的击穿损坏等问题。针对上述应用场景，各类变频产品需要配置制动单元来消耗电机制动产生的能量，防止系统过电压，维持变频器直流母线电压稳定，提高产品可靠性和稳定性^[3-4]。

对于低压变频器来说，基于IGBT的制动单元即可满足设计要求。但对于中压变频器来说，IGBT在耐压等级和电流等级方面受到一定的限制，文献[5]描述了一种用于中压变频器的制动单元，但是目前市场中单只IGBT的最大电流依旧有限，远小于IGCT可承受的通态电流，并且需要多只IGBT进行串联来达到耐压要求，电路相对比较复杂。

基于IGCT的变流器及制动单元设计，国内品牌起步较晚，在IGCT特性分析和应用方面缺少指导。文献[6-7]对IGCT的个别特性进行了解析或对IGCT驱动本体进行了分析，但对整体的应用解析并不全面，没有做到理论计算与应用相结合。国外某品牌开发了一种IGCT作为功率器件的制动单元，配置了RC吸收回路，在中小功率电路中RC回路的吸收效果往往较好，但是在大功率电路中RC吸收回路对功率器件过电压的抑制有限，并且运行损耗较大。

文献[8]提到油改电项目利用AFE回馈电网，但在能量回馈不频繁的场合，利用大功率制动单元的方式，可以节约50%以上的成本，如能提供可行的制动单元方案，可为用户降低设备成本的投入。根据考察，国内风力齿轮箱试验平台、汽轮机试验平台、城轨系统中，均为中压变频器配置了制动单元^[9-10]。

针对中压NPC型三电平变频器，本文采用IGCT作为主要开关器件，从电压、电流、阻断特性、开通和关断特性以及热特性等方面分析了IGCT的主要参数和特性，从变频器的制动原理出发，设计了一种满足中压三电平变频器实现能耗制动的制动单元，可以满足更高的耐压要求和更大的制动功率，配置了合理的RCD吸收回路、水冷散热回路以及控制方法，保证装置的可靠运行。经过出厂测试，证实了本文设计的基于IGCT的中压制动单元的有效性。

1 NPC中压变频器

收起

基于IGCT的大功率中压变频器单机功率可以达到十几MW，通过并联可以达到几十MW^[11]。

NPC型三电平电路如图1所示，当上桥臂的开关管导通时，输出电压为正状态，当中间两只开关管导通时，输出电压为零状态，当下桥臂的开关管导通时，输出网侧电压为负状态，从而形成三电平电压输出。由于负载是非纯阻性负载，所以电流回路与电压回路并不相同，尤其当变频器能量回馈时，电流会通过IGCT反并联二极管流向直流侧。后文中将结合制动单元的连接进行制动原理分析。

2 IGCT参数与特性

收起

集成门极换流晶闸管IGCT主要可以分为逆导型RC-IGCT、反向阻断型RB-IGCT和非对称型AS-IGCT，其结合了IGBT和GTO的优点，具有容量大、开关速度快、通态损耗低、稳定性强以及集成门极等诸多特点，广泛应用于中高压变频器产品^[12-13]。

2.1 阻断特性

IGCT的门极在通电的情况下，其本体具备正向阻断能力，主要体现参数为最大重复电压

V D R M

、漏电流

I D R M

，当器件承受电压超过该值，会造成漏电流增加、功率损耗增加，最终导致热失控和阻断性下降而使器件损坏。

2.2 开通与关断特性

开通特性：IGCT由正向阻断状态转换为开通状态的过程，称为开通过程。开通过程中器件通过的电流变化率

d i / d t

要保证在最大允许的电流变化率之内。另外，开通过程中，IGCT会消耗开通能量

E o n

，从而产生功率损耗

P o n

，在一个开关周期

T s

内，其关系表达式为

（1）

P o n = E o n / T s

器件在通态状态下产生通态损耗，计算公式为

（2）

P T = V (T 0 ⋅ I T + r T ⋅ I T 2

式中：

P T

为IGCT通态功率；

V (T 0

为IGCT通态压降；

I T

为流过IGCT的通态电流；

r T

为IGCT通态电阻。

关断特性：IGCT由通态状态转换为正向阻断状态的过程，称为关断过程。当IGCT器件处于关断过程时，为避免IGCT过电压造成器件雪崩击穿，需要配置吸收回路。另外，关断过程中，IGCT会消耗关断能量

E o f f

，从而产生功率损耗

P o f f

，在一个开关周期

T s

内，其关系表达式为

（3）

P o f f = E o f f / T s

2.3 门极驱动

在工程应用中，IGCT器件利用光纤信号直接驱动；并且需要符合门极电压范围要求的高频脉冲电源供电；在驱动信号给定时，确保接通时间和关断时间分别大于其最小接通时间和最小关断时间。

2.4 热特性

IGCT在运行过程中，管芯结点温度不得超过手册中的最大结点温度，并保持一定的温度裕量。管芯结点到器件外壳的瞬态热阻抗的解析函数如下式所示：

（4）

R t h (j - c) = ∑ i = 1 n R i (1 - e - t / τ i)

式中：

R t h (j - c)

为管芯结点与器件外壳之间的瞬态热阻抗，该热阻抗模拟了恒定功率使结温上升随时间的关系；

n

为解析函数中取点的个数；

R i

为不同时间常数下对应的阻抗值，由器件手册提供；t为器件开关周期；

τ i

为时间常数，由器件手册提供。

2.5 机械特性

机械特性是保障IGCT热稳定的前提，IGCT器件必须组装在标准安装压力下的平整结构中，例如压装压力范围42~46 kN，并使得压力均匀地作用于器件，并且散热器的表面平整度和粗糙度不得高于IGCT器件的表面质量。

2.6 快恢复二极管特性

快恢复二极管的应用过程中，也需要注意电流变化率

d i / d t

、功率损耗、热特性和机械特性等参数，不再赘述。

3 制动单元的分析与设计

收起

图2中给出了三种不同的制动单元设计方案，图2a中的IGCT配置了RC吸收回路，图2b和图2c中的IGCT则配置了RCD吸收回路。本方案所设计的制动单元电路图见图2c。RC吸收回路虽然能在一定程度上降低IGCT的损耗，但其自身的损耗非常大，导致系统的总损耗显著增加。而RCD吸收回路对系统总损耗的增加没有明显影响，并且显著降低了IGCT的损耗，从而提高了系统的带载能力。

对比图2b和图2c的两种制动单元电路，可以发现，图2b中的IGCT分别紧邻系统的正、负直流母线，图2c中的IGCT集中紧邻零直流母线。当对功率器件进行压装时，图2b的电路拓扑要求制动单元的上下两组回路分别压装，图2c的电路拓扑可以使制动单元的上下两组回路共用一个中间散热器。因此，图2c的制动单元压装结构比图2b更加节省散热器和绝缘件，减少了成本，同时也减小了制动单元的体积。

3.1 制动单元工作原理

将NPC中压变频器的直流回路分为互相独立的上、下两组，结合NPC中压变频器的半组相模块回路进行分析，制动单元回路与NPC三电平变频器的连接关系如图3所示。

图3中，C_dc为直流母线电容，R₂为制动单元吸收电阻，C_z为制动单元吸收电容，D_z为制动单元吸收二极管，Q_z为制动单元IGCT，R_z为制动电阻，L_z为制动电阻连接回路杂散电感，L₁为缓冲电感，R₁为相模块的吸收电阻，C₁为相模块吸收电容，D₄为相模块吸收二极管，D₃为钳位二极管，V₁，V₂和D₁，D₂分别为IGCT及其反并联二极管。

当系统稳定时，制动单元的IGCT承受直流母线电压，等于制动单元吸收电容两端电压。

当系统制动时，制动电流依次通过D₂，D₁，L₁，流向直流侧，当制动单元中的IGCT正向导通时，压降约等于零，此时通过制动电阻消耗系统回馈的能量，应满足制动单元中IGCT的电流变化率。在系统制动过程中，当Q_z关断时，因为续流的作用使得D_z导通，制动单元吸收电容C_z的电压将升高，使Q_z两端的电压出现过电压，表达式为

（5）$\begin{aligned} V_{\mathrm{z}} & =V_{\mathrm{DC}}+L_{\mathrm{Lz}} \frac{\mathrm{~d} I_{\mathrm{Iz}}}{\mathrm{~d} t}-R_{\mathrm{Rz}} \cdot I_{\mathrm{Iz}} \\ & =V_{\mathrm{Cz}}+V_{\mathrm{Dz}} \end{aligned}$

式中：

V z

为IGCT两端电压；

V D C

为直流母线电压；

L L z

为杂散电感；

I I z

为制动电流；

R R z

为制动电阻；

V C z

为吸收电容两端电压；

V D z

为吸收二极管两端电压。

当制动单元吸收二极管D_z开始承受反压而开始关断后，吸收电容C_z的能量通过制动单元吸收电阻R₂释放，Q_z和C_z两端的电压逐渐恢复到直流母线电压值。

在缓冲吸收回路参数方面，目前行业内并没有准确的参数计算公式，本文选用的RCD吸收回路由图3中的R_z，C_z及D_z组成，在工程应用和选型上多采用仿真进行参数确定。主流的方法为先选定缓冲电感值L，然后以此为设计起点，参考技术手册中过电压测试的参数C和R，组成首套缓冲回路参数，对C和R进行综合调整，原则如下：

1）IGCT过电压不能超过器件最大耐压值，降低电压尖峰的方式，可以采用减小R或增大C。

2）可通过增加R，确保钳位二极管在一个开关周期内关断后不会二次开通。

3）可通过减小C，确保在IGCT下一次开通前，钳位二极管已经关断，钳位电容已经恢复到静态值。

3.2 制动单元损耗的分析

IGCT的开通损耗计算式（1）和关断损耗计算式（3）属于典型公式，其中的开通能量和关断能量是基于手册中特性测试条件下的典型值，实际应用时，需要根据选型器件的实际运行条件和手册中特性测试条件进行修正，IGCT的开通和关断损耗与直流母线电压

V D C

、负载电流

I T

有关，修正后的IGCT开通和关断损耗的计算公式如下：

（6）

P o n_r e = V D C V D C_N ⋅ I T I T_N ⋅ E o n / T s P o f f_r e = V D C V D C_N ⋅ I T I T_N ⋅ E o f f / T s

式中：

P o n_r e

，

P o f f_r e

分别为修正后的开通和关断损耗；

V D C_N

，

I T_N

分别为直流电压和负载电流的修正基准值。

综上分析，IGCT的总损耗

P I G C T

包括导通损耗、通态损耗和关断损耗，如下式所示：

（7）

P I G C T = P o n_r e + P T + P o f f_r e

二极管的开关损耗主要指关断过程中的反向恢复损耗。与IGCT相似，实际应用时，需要根据选型器件的特性进行公式修正。二极管的关断损耗受二极管关断电流变化率、二极管关断电流以及直流母线电压的影响，修正后的二极管关断损耗公式如下式所示：

（8）

P D o f f_r e = d i / d t d i o d i / d t N ⋅ V D C V D C_N ⋅ I F I F_N ⋅ E D o f f / T s

式中：

P D o f f_r e

为二极管关断损耗；

d i / d t d i o

为二极管关断电流变化速率；

I F

为二极管关断电流；

d i / d t N

，

I F_N

分别为二极管关断电流变化率和关断电流的修正基准值。

二极管的导通损耗计算公式和IGCT的通态损耗计算公式相同，综上分析，二极管的总损耗

P D I O D E

包括通态损耗

P D T

和关断损耗，如下式所示：

（9）

P D I O D E = P D T + P D o f f_r e

3.3 机械压装与散热的设计

当功率器件采用单面或双面的散热方式时，热阻是不同的，对于二极管来说，单面散热时，阳极或阴极紧邻散热器的热阻不相同。

根据电路原理，IGCT在制动过程中通过制动电流，损耗功率大；二极管在制动过程中用于吸收IGCT过电压产生的释放电流，损耗功率小。所以本方案中，IGCT采用双面散热，二极管采用单面散热即可，制动单元的压装结构如图4所示。

依据图4中的结构方式，可以计算IGCT和二极管的总热阻

R t h

如下式所示：

（10）

R t h = R t h (j - c) + R t h (c - h) + R t h (h - s)

式中：

R t h (c - h)

为壳到散热器表面之间的热阻；

R t h (h - s)

为散热器表面到散热器内部冷却水的热阻。

3.4 制动单元的控制方法

制动单元的控制逻辑如图5所示。

为避免对中点电压产生影响，禁止对制动单元中上、下桥臂的IGCT采取同脉冲控制，而是对制动单元中上、下桥臂的IGCT采取分别独立驱动的方法，驱动脉冲的占空比由各自单独的PI控制器计算所得。除此之外，对上、下半组采用同一个直流电压当作制动单元控制的给定值，而不是采用上、下组直流母线的平均值。

图5中的变比例积分系数K可按下式进行在线计算：

（11）

K = Δ U U r e f

式中：

Δ U

为半组直流母线电压给定值与其对应的半组直流母线电压采样值之差，取绝对值；

U r e f

为系统最大运行直流母线电压与直流母线电压给定值之差。

4 制动单元的计算与仿真

收起

4.1 制动单元的损耗计算

本设计最大制动功率4 MW，经过仿真选定IGCT型号为5SHX36L4521，为匹配压装压力和技术参数，二极管选型为5SDF20L4520。

方案中的IGCT和二极管热阻参数分别为

R t h (c - h)

=4.2 K/kW，

R t h (h - s)

=7.5 K/kW和

R t h (c - h)

=11.2 K/kW，

R t h (h - s)

=7.5 K/kW。

R t h (j - c)

均通过式（4）计算，涉及到的相关数据如表1所示。

综上所述，可得器件的管芯温度

T j

的计算公式为

（12）

T j = P 总 ⋅ R t h + T 1

其中

（13）

P 总 = C ρ q (T 2 - T 1)

式中：

P 总

为器件总损耗；

T 1

为散热器的进水水温；

T 2

为散热器出水水温；C为水比热容，取4.2×10³ J/（kg·℃）；ρ为纯水密度，取1 kg/L；q为冷却水流量，本方案流量取0.1 L/s。

设定最大进水水温为40 ℃时，根据式（13）可以仿真计算出IGCT水冷散热器的出水水温为46.67 ℃，二极管散热器的出水水温为43.04 ℃，此时IGCT管芯温度变化曲线和二极管管芯温度变化曲线如图6所示。

4.2 缓冲吸收回路的选型

本方案设计吸收电阻为2 Ω，吸收电容为8.5 μF，最大功率条件下IGCT两端过电压如图7所示，其动态恢复时间小于40 μs。

4.3 IGCT驱动保护的判断逻辑

在门极驱动方面，设置IGCT最小开通时间和最小关断时间均为40 μs，并且对IGCT的门极驱动进行故障判断，判断逻辑为：IGCT的门极输入端CS为发送到IGCT的触发脉冲信号，SF为IGCT的状态返回信号，正常情况下SF与CS的逻辑状态相反，但SF信号响应滞后于触发信号，滞后时间手册提供为不大于7 μs，考虑到控制器硬件上到IGCT驱动门极硬件上的传输延时，单程延时2 μs，则从发送触发脉冲到接收到状态返回信号的总延时为4 μs。综上分析，SF信号取反后与CS进行信号进行“异或”逻辑运算，再延时11 μs，正常结果应为逻辑“0”态。

5 成柜与测试

收起

5.1 制动单元模块与成柜

依照上文所述方案完成了制动单元的生产制造，制动单元模块的实物如图8所示。制动单元成柜与中压三电平变频器的匹配成柜设计如图9所示，成柜后，制动电阻柜与制动单元柜之间按照图3原理进行电气连接。

5.2 测试验证

前文介绍了IGCT驱动的故障保护原理，本文将光纤信号转换电信号进行测量，IGCT在开通和关断的过程中，其驱动信号与返回信号的延迟时间分别为4 μs和3.5 μs，满足软件设计要求。测试波形如图10所示，图中V_gate为IGCT门极信号。

当启动电压为2 800 V，负载电流为200 A时，制动单元中IGCT的端电压和制动电流的波形如图11所示，符合设计预期。

对制动单元的直流侧施加持续上升的直流电压，当达到制动单元启动电压时，制动单元开始工作，动态过程中测量直流电压最大波动为20 V，制动单元稳态工作时，测量直流母线电压波动为4 V，直流母线电压波形变化趋势与IGCT的PWM驱动波形如图12、图13所示，达到了预期的控制效果。

6 结论

收起

1）本文从IGCT的参数和特性入手，详细介绍了IGCT在应用时应该特别关注的重点参数和特性，并且给出了相关的特性曲线和计算公式，为基于IGCT的各类变流装置的设计提供了参考基础。

2）在电气原理上，将制动单元的工作原理进行了分析，为IGCT器件配置合理的缓冲吸收回路，使IGCT的电流变化率和过电压得到有效抑制；从散热方面，大功率压装型器件采用水冷散热，给出了不同器件的损耗修正计算公式，重点说明了压装结构对热阻的影响，通过计算器件的损耗和热阻，设计合理的水路连接，保障器件可靠运行；在控制方式上，上、下两组直流电压分别独立控制，有利于直流电压的稳定。

3）在多种工业场合，中压大功率三电平变频器的可靠运行依赖制动单元的释能作用，通过设计、仿真和测试，验证了本文设计的可行性。目前，该制动单元已经应用于国内某金属复合材料的轧制场合。

基金

收起

天津电气院科研开发创新基金(YF2024ZL002)

参考文献

收起

文献

收起

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2025年第55卷第8期

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doi: 10.19457/j.1001-2095.dqcd26071

接收时间：2024-07-20
首发时间：2025-10-29
出版时间：2025-08-20

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出版历史

收稿日期：2024-07-20
修回日期：2024-10-12

基金

天津电气院科研开发创新基金(YF2024ZL002)

作者信息

天津电气科学研究院有限公司，天津 300180

参考文献

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

$i$	IGCT	DIODE
1	8.769	0.540 7	3.708	0.533 6
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i

IGCT

DIODE

R i

/（K·kW^-1）

τ i

R i

/（K·kW^-1）

τ i

8.769

0.540 7

3.708

0.533 6

1.909

0.079 2

1.426

0.067 0

1.218

0.009 1

0.686

0.007 4

0.699

0.002 5

0.176

0.001 1

$i$	IGCT		DIODE
$i$	$R i$ /（K·kW^-1）	$τ i$ /s	$R i$ /（K·kW^-1）	$τ i$ /s
1	8.769	0.540 7	3.708	0.533 6
2	1.909	0.079 2	1.426	0.067 0
3	1.218	0.009 1	0.686	0.007 4
4	0.699	0.002 5	0.176	0.001 1