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引言

柔性直流輸電技術為大規模可再生能源的接入提供了有效解決方案,是目前較為先進的輸電技術。由于柔性直流輸電系統的弱阻尼特性,單獨依靠換流器無法有效切除故障,需要具有快速分斷能力的直流斷路器實現故障的隔離與清除。

絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistors,IGBT）具有良好的關斷特性,是直流斷路器實現故障電流關斷所采用的核心器件。IGBT的關斷特性對于斷路器的性能有著重要影響,而目前對此相關研究尚不充分。

在上述背景下,本文分析了直流斷路器用IGBT的工作特征,搭建了器件動態特性測試系統,針對直流斷路器應用工況,對IGBT進行大電流關斷測試,并基于實測數據對器件工作特性進行分析,對直流斷路器工況中的IGBT應用做出指導。

1直流斷路器用IGBT工作特征分析

直流斷路器工況對于IGBT而言是一個相對特殊的應用工況。斷路器用IGBT往往需要關斷上升時間為毫秒級別且峰值為額定值數倍的大電流,且一般只在柔性直流電網中斷路器進行整機分斷時工作,無需短時間內進行周期性開關。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的大電流關斷能力,同時IGBT關斷大電流時電流下降速率較快,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,考驗著器件及其結構的絕緣能力。搭建相關測試系統并進行試驗測試是獲取器件關斷特性的必要方法。

2測試系統搭建

為使測試貼合直流斷路器用IGBT的實際工況,在測試中用電容器與一感性負載配合,通過電路的零輸入響應來產生測試電流。測試電路拓撲結構如圖2所示,其中C為電容器,L為電抗器,二極管D在被測IGBT進入關斷過程后為感性負載提供電流通路,IGBT為被測器件,D1為器件自帶的反并聯二極管。試驗前給電容器C預充電,然后觸發被測器件,電流流經感性負載L并在被測器件中上升,經預定延遲后向被測器件施加關斷信號。目前千安級別的IGBT均是由數十個小額定電流值的IGBT芯片并聯而成,芯片的關斷特性顯著影響器件的關斷行為。現選取英飛凌公司由少量IGBT芯片組成的FF100R12RT4型號器件(圖3）進行測試研究,其額定電流值為100A,額定電壓值為1.2kV。

3測試結果

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

圖4IGBT分別關斷額定值以下（第1組）及接近額定值3倍（第2組）的電流波形

4IGBT關斷特性分析

4.1IGBT大電流關斷能力分析

目前絕大多數商用IGBT數據手冊中反向安全工作區給出的關斷電流上限均是額定值的2倍。由圖4可知,被測器件正常關斷電流約為300A,即約3倍于額定值的大電流,未發生關斷失效問題。部分原因可以被理解為:器件數據手冊中給出的電D上限是考慮IGBT周期性開關工況的,而IGBT的單次關斷能力往往更強。這也表明直D斷路器工況中的器件安全工作電D上限仍需更深入認知。充分利用IGBT的大電D處理能力,對于兼顧直D斷路器的可靠性及經濟性有著重要意義。

4.2IGBT關斷電壓沖擊分析

由電路原理可知,電路結構的雜散電感與電D變化率的乘積為雜散電感兩端電壓,在IGBT關斷過程中,一般體現為電壓沖擊,與電源或母線電壓疊加后出現電壓尖峰。對比圖4可知,本文所研究的同一個被測器件IGBT,在相同的測試電路結構中,關斷小于額定值的電D時產生的電壓尖峰值在150～200V,而關斷約3倍于額定值的電D時產生的電壓尖峰值在400V以上。這表明較大的關斷電D可能引起較高的電壓沖擊,在考察IGBT電D處理能力時也需要考慮器件的絕緣耐壓要求。通過IGBT驅動參數的配置,降低器件關斷過程中電D變化率,或降低相關電路結構的雜散電感值,均是可以考慮的降低關斷電壓沖擊的方法。

5結語

本文分析了直D斷路器用IGBT的工作特征,搭建了器件動態特性測試系統,針對直D斷路器應用工況,對IGBT進行了大電D關斷測試,并基于實測數據指出了直D斷路器工況下IGBT的電D關斷上限高于目前商用IGBT數據手冊中給出的限值,同時提出了可以從優化驅動參數及降低雜散電感值等方面來降低IGBT的關斷電壓沖擊,為直D斷路器用IGBT的應用提供了參考。