直流斷路器工況中IGBT的關(guān)斷特性測試與分析

摘

要：直流斷路器是保障柔性直流輸電系統(tǒng)可靠性的重要裝備，IGBT作為斷路器的關(guān)鍵器件對斷路器整機(jī)分?jǐn)嗄芰τ兄匾绊憽，F(xiàn)對直流斷路器用IGBT的主要工作特征做簡要闡述，根據(jù)實(shí)際工況搭建了測試系統(tǒng)，對器件進(jìn)行超額定值的大電流關(guān)斷測試，并對測試結(jié)果進(jìn)行理論分析，這對直流斷路器用IGBT的器件參數(shù)配置具有良好的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞：直流斷路器；IGBT；關(guān)斷特性；測試系統(tǒng)

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引言柔性直流輸電技術(shù)為大規(guī)?？稍偕茉吹慕尤胩峁┝擞行Ы鉀Q方案[1]，是目前較為先進(jìn)的輸電技術(shù)。由于柔性直流輸電系統(tǒng)的弱阻尼特性，單獨(dú)依靠換流器無法有效切除故障，需要具有快速分?jǐn)嗄芰Φ闹绷鲾嗦菲鲗?shí)現(xiàn)故障的隔離與清除。絕緣柵雙極型晶體管（insulatedgatebipolartransistors，IGBT）具有良好的關(guān)斷特性，是直流斷路器實(shí)現(xiàn)故障電流關(guān)斷所采用的核心器件。IGBT的關(guān)斷特性對于斷路器的性能有著重要影響，而目前對此相關(guān)研究尚不充分。在上述背景下，本文分析了直流斷路器用IGBT的工作特征，搭建了器件動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)，針對直流斷路器應(yīng)用工況，對IGBT進(jìn)行大電流關(guān)斷測試，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)對器件工作特性進(jìn)行分析，對直流斷路器工況中的IGBT應(yīng)用做出指導(dǎo)。1

直流斷路器用IGBT工作特征分析直流斷路器工況對于IGBT而言是一個(gè)相對特殊的應(yīng)用工況。斷路器用IGBT往往需要關(guān)斷上升時(shí)間為毫秒級別且峰值為額定值數(shù)倍的大電流，且一般只在柔性直流電網(wǎng)中斷路器進(jìn)行整機(jī)分?jǐn)鄷r(shí)工作，無需短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行周期性開關(guān)。斷路器用IGBT工作特征如圖1所示。如圖1所示，直流斷路器需要IGBT的大電流關(guān)斷能力，同時(shí)IGBT關(guān)斷大電流時(shí)電流下降速率較快，在雜散電感作用下，較快的電流變化率往往帶來較高的電壓過沖，考驗(yàn)著器件及其結(jié)構(gòu)的絕緣能力。搭建相關(guān)測試系統(tǒng)并進(jìn)行試驗(yàn)測試是獲取器件關(guān)斷特性的必要方法。2

測試系統(tǒng)搭建為使測試貼合直流斷路器用IGBT的實(shí)際工況，在測試中用電容器與一感性負(fù)載配合，通過電路的零輸入響應(yīng)來產(chǎn)生測試電流。測試電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，其中C為電容器，L為電抗器，二極管D在被測IGBT進(jìn)入關(guān)斷過程后為感性負(fù)載提供電流通路，IGBT為被測器件，D1為器件自帶的反并聯(lián)二極管。試驗(yàn)前給電容器C預(yù)充電，然后觸發(fā)被測器件，電流流經(jīng)感性負(fù)載Ｌ并在被測器件中上升，經(jīng)預(yù)定延遲后向被測器件施加關(guān)斷信號(hào)。目前千安級別的IGBT均是由數(shù)十個(gè)小額定電流值的IGBT芯片并聯(lián)而成，芯片的關(guān)斷特性顯著影響器件的關(guān)斷行為?，F(xiàn)選取英飛凌公司由少量IGBT芯片組成的FF100R12RT4型號(hào)器件（圖3）進(jìn)行測試研究，其額定電流值為100A，額定電壓值為1.2kV。3

測試結(jié)果如前文所述，斷路器用IGBT往往需要關(guān)斷上升時(shí)間為毫秒級別且峰值為額定值數(shù)倍的大電流，故對被測器件分別進(jìn)行額定值之內(nèi)及明顯超出額定值的電流進(jìn)行關(guān)斷試驗(yàn)，以便比較分析。測試波形如圖4所示。

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IGBT關(guān)斷特性分析4.1

IGBT大電流關(guān)斷能力分析目前絕大多數(shù)商用IGBT數(shù)據(jù)手冊中反向安全工作區(qū)給出的關(guān)斷電流上限均是額定值的2倍。由圖4可知，被測器件正常關(guān)斷電流約為300A，即約3倍于額定值的大電流，未發(fā)生關(guān)斷失效問題。部分原因可以被理解為：器件數(shù)據(jù)手冊中給出的電流上限是考慮IGBT周期性開關(guān)工況的，而IGBT的單次關(guān)斷能力往往更強(qiáng)。這也表明直流斷路器工況中的器件安全工作電流上限仍需更深入認(rèn)知。充分利用IGBT的大電流處理能力，對于兼顧直流斷路器的可靠性及經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。4.2

IGBT關(guān)斷電壓沖擊分析由電路原理可知，電路結(jié)構(gòu)的雜散電感與電流變化率的乘積為雜散電感兩端電壓，在IGBT關(guān)斷過程中，一般體現(xiàn)為電壓沖擊，與電源或母線電壓疊加后出現(xiàn)電壓尖峰。對比圖4可知，本文所研究的同一個(gè)被測器件IGBT，在相同的測試電路結(jié)構(gòu)中，關(guān)斷小于額定值的電流時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰值在150～200

V，而關(guān)斷約3倍于額定值的電流時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰值在400V以上。這表明較大的關(guān)斷電流可能引起較高的電壓沖擊，在考察IGBT電流處理能力時(shí)也需要考慮器件的絕緣耐壓要求。通過IGBT驅(qū)動(dòng)參數(shù)的配置，降低器件關(guān)斷過程中電流變化率，或降低相關(guān)電路結(jié)構(gòu)的雜散電感值，均是可以考慮的降低關(guān)斷電壓沖擊的方法。5

結(jié)語本文分析了直流斷路器用IGBT的工作特征，搭建了器件動(dòng)態(tài)特性測試系統(tǒng)，針對直流斷路器應(yīng)用工況，對IGBT進(jìn)行了大電流關(guān)斷測試，并基于實(shí)測數(shù)據(jù)指出了直流斷