鄒云飛, 王慧貞, 牛先智

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

微網(wǎng)快速開關(guān)系統(tǒng)驅(qū)動電路的研究

鄒云飛, 王慧貞, 牛先智

(南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，江蘇 南京 210016)

針對新型微網(wǎng)系統(tǒng)FREEDM(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management)中的快速開關(guān)系統(tǒng)，提出了一種新型的IGBT驅(qū)動控制電路。將IGBT應(yīng)用于FREEDM的快速開關(guān)系統(tǒng)中，根據(jù)其在不同故障狀態(tài)下的不同關(guān)斷特性，利用集電極退飽和原理，研究設(shè)計了具有雙故障檢測支路的IGBT驅(qū)動控制電路，從而保證IGBT在FREEDM中的可靠關(guān)斷。最終通過Saber仿真和實(shí)驗驗證了驅(qū)動控制電路能夠在各故障狀態(tài)下可靠地關(guān)斷IGBT。

FREEDM；IGBT；快速開關(guān)；集電極退飽；雙檢測支路

0 引 言

由于煤炭、石油等不可再生能源日漸枯竭以及以風(fēng)能、光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電成本的降低，需要一種能夠適應(yīng)新能源發(fā)電的新型電網(wǎng)。美國北卡羅萊納州立大學(xué)提出了一種智能微型電網(wǎng)的架構(gòu)FREEDM(Future Renewable Electric Energy Delivery and Management)[1]。FREEDM中沒有傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)、電磁變壓器等裝置，因此系統(tǒng)慣性小，阻尼小，響應(yīng)迅速，需要用固態(tài)斷路器取代傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)[2]。

目前，許多國外研究機(jī)構(gòu)組織專家對基于電力電子器件的固態(tài)斷路器進(jìn)行開發(fā)。ABB公司對IGCT進(jìn)行大量的研究，研制了兆瓦級的固態(tài)斷路器，并成功用于實(shí)踐[3]。德國RWTH-Aachen大學(xué)針對固態(tài)斷路器的不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的仿真研究和實(shí)驗驗證[4]。針對不同的功率管，重點(diǎn)研究固態(tài)開關(guān)的損耗和控制方式[5]。而對于微網(wǎng)系統(tǒng)中的不同的短路電流狀況，應(yīng)用不同的IGBT的固態(tài)斷路器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[6-7]。但在一般文獻(xiàn)均沒有對IGBT的驅(qū)動控制進(jìn)行詳細(xì)地研究與設(shè)計，而一般應(yīng)用于功率變換場合中的傳統(tǒng)IGBT驅(qū)動控制電路主要針對高頻率開關(guān)，快速的關(guān)斷過程會導(dǎo)致微網(wǎng)系統(tǒng)中短路電流變化率較大而有鎖定IGBT的風(fēng)險，而且也不具備限制故障電流的能力，因此并不適用于該應(yīng)用場合。

本文針對微網(wǎng)固態(tài)開關(guān)的應(yīng)用場合，對現(xiàn)有的IGBT驅(qū)動電路進(jìn)行分析[8-9]，提出了一種適用于新型微網(wǎng)系統(tǒng)FREEDM中的具有雙檢測支路的新型IGBT驅(qū)動控制電路。針對微網(wǎng)系統(tǒng)中不同的故障狀態(tài)(過負(fù)載故障與短路故障狀態(tài))，該驅(qū)動控制電路能夠產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動控制信號，從而保證IGBT可靠地關(guān)斷。本文對該新型的IGBT驅(qū)動控制電路進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計，并通過仿真驗證了其可行性。最后，搭建了以1 200 V/75 A(2MBI75UA-120)的IGBT集成模塊為核心元件的快速開關(guān)系統(tǒng)的實(shí)驗平臺，在此基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗進(jìn)一步驗證了該IGBT驅(qū)動控制電路的可行性。

1 基于IGBT斷路器的關(guān)斷特性研究

1.1 IGBT關(guān)斷過程分析

在微網(wǎng)系統(tǒng)中，不同的故障狀況對應(yīng)著IGBT不同的關(guān)斷特性，而其關(guān)斷特性則體現(xiàn)于IGBT工作點(diǎn)的轉(zhuǎn)移情況?；贗GBT的關(guān)斷時間toff分為關(guān)斷延遲時間td和電流下降時間tf，根據(jù)有無關(guān)斷延遲時間td，分為兩種關(guān)斷情況[10]：

(1)在關(guān)斷正常負(fù)荷電流或過負(fù)載電流時，IGBT工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移至B點(diǎn)(如圖1所示)，由于IGBT工作于飽和區(qū)，IGBT的伏安特性由外部電路決定。此時，要求柵極電壓下降至一定電壓值，IGBT的工作點(diǎn)進(jìn)入放大區(qū)的D點(diǎn)后才逐漸關(guān)斷電流。整個關(guān)斷過程中，IGBT工作點(diǎn)的變化軌跡如圖1中的折線BDE所示，其中IGBT的工作點(diǎn)從飽和區(qū)轉(zhuǎn)移到放大區(qū)的過程構(gòu)成了關(guān)斷延遲時間td。

圖1 IGBT特性曲線

(2)在關(guān)斷短路電流時，IGBT工作點(diǎn)已由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移至C點(diǎn)(如圖1所示)，IGBT 工作點(diǎn)已處于放大區(qū)，短路電流受IGBT的輸出特性約束，其大小由IGBT 柵極電壓所決定。在切斷短路電流的過程中，隨著IGBT柵極電壓的降低，短路電流逐漸減小至零。其中，IGBT工作點(diǎn)的變化軌跡如圖1中的射線CF所示。由于IGBT在關(guān)斷過程中始終在放大區(qū)，故不存在關(guān)斷延遲時間td。

1.2 微網(wǎng)系統(tǒng)中不同故障狀態(tài)下的IGBT開斷過程

在過負(fù)載故障狀態(tài)下，對應(yīng)于微網(wǎng)系統(tǒng)中IGBT特有的關(guān)斷過程，可得到該狀態(tài)下IGBT整個開通與關(guān)斷過程的波形示意圖，如圖2所示。

圖2 過負(fù)載狀態(tài)下IGBT開斷示意圖

其中時間[t1，t2]為電流上升的階段，t2時刻電流上升至過負(fù)載故障電流檢測閾值if，此時進(jìn)入時間[t2，t3]內(nèi)的限流階段，之后對IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，使得流經(jīng)IGBT的電流ice逐漸降低，最后拖尾至零。在時間[t3，t4]內(nèi)，由于電流的降低使得IGBT兩端產(chǎn)生一定的過電壓， 最后逐漸穩(wěn)定至母線電壓Vdc。

圖3 短路狀態(tài)下IGBT開斷示意圖

同樣地，在短路故障狀態(tài)下IGBT開斷示意圖如圖3所示，在時間[t1，t2]內(nèi)故障電流迅速上升，在t2時刻故障電流上升至短路故障電流檢測閾值isf(isf大約為額定電流的2～3倍)時直接對IGBT進(jìn)行軟關(guān)斷，此時故障電流逐漸降低至t3時刻，最后拖尾至零。同樣地，在時間[t2，t3]內(nèi)，由于電流的降低使得IGBT兩端產(chǎn)生過電壓，最后逐漸穩(wěn)定至母線電壓Vdc。

2 IGBT驅(qū)動控制電路研究設(shè)計

2.1 IGBT驅(qū)動特性與驅(qū)動控制要求

2.1.1 IGBT驅(qū)動特性

在快速開關(guān)系統(tǒng)的應(yīng)用場合中，器件關(guān)斷后有較長的散熱時間，因此一般不會發(fā)生雪崩電壓擊穿導(dǎo)致的IGBT損壞現(xiàn)象。為防止IGBT進(jìn)入鎖定狀態(tài)，可通過降低IGBT關(guān)斷時的電流大小與電壓變化率來實(shí)現(xiàn)，途徑有兩個：(1)降低關(guān)斷前故障電流大??；(2)采取慢關(guān)斷措施，即在IGBT所能承受的短路時間內(nèi)，逐漸減小柵極電壓VGE，使IGBT緩慢地關(guān)斷。

2.1.2 IGBT驅(qū)動控制要求

根據(jù)IGBT的關(guān)斷特性與驅(qū)動控制要求，可給出該場合中所需的驅(qū)動電壓波形。

圖4(a)為發(fā)生過負(fù)載故障時，IGBT可靠關(guān)斷所要求的理想柵射極驅(qū)動電壓波形。在t1時刻檢測到故障之后立降柵壓，一段延遲時間至t2時刻開始軟關(guān)斷過程，直至IGBT關(guān)斷電壓，t2至t3的時刻區(qū)間為軟關(guān)斷持續(xù)時間。

圖4(b)為發(fā)生短路故障時，IGBT可靠關(guān)斷所要求的理想柵射極驅(qū)動電壓波形。在發(fā)生故障之后，經(jīng)過[t1～t2]時間的檢測過程后直接緩慢降低柵射極電壓至關(guān)斷電壓。減緩IGBT的關(guān)斷速度，降低電壓應(yīng)力。

圖4 IGBT的理想控制驅(qū)動電壓

2.2 新型IGBT驅(qū)動控制電路設(shè)計

按章節(jié)2.1.2節(jié)所述驅(qū)動控制要求所設(shè)計的IGBT驅(qū)動控制電路，如圖5所示。

圖5 IGBT驅(qū)動保護(hù)電路

該驅(qū)動控制電路存在兩條故障檢測支路，可針對不同的故障狀態(tài)產(chǎn)生相對應(yīng)的驅(qū)動控制電壓，從而可靠關(guān)斷IGBT。

2.2.1 電路驅(qū)動保護(hù)原理

(1)正常工作過程

當(dāng)輸入高電平控制信號時，光耦導(dǎo)通，使T1和T2截止，此時D點(diǎn)電壓上升至20 V，T8、T10導(dǎo)通。而F點(diǎn)電壓被鉗位于5 V，因此IGBT的柵射極電壓為15 V，IGBT導(dǎo)通后VCE下降至VCES(約3 V)。同時，由于IGBT集電極電壓較低，A點(diǎn)和B點(diǎn)電位被箝位在一定的電壓值，穩(wěn)壓管VZ1、VZ2、VZ3均不被擊穿，兩條故障檢測與保護(hù)電路均不動作；當(dāng)輸入低電平控制信號時，光耦截止，使T1、T2導(dǎo)通，D點(diǎn)電位鉗位于0 V，T8、T10截止，T9、T11導(dǎo)通，IGBT柵射極間電容迅速放電，IGBT柵極電壓迅速下降至0 V，從而產(chǎn)生VGE=-5 V的關(guān)斷柵射電壓。

(2)過流故障保護(hù)

圖6 驅(qū)動控制電路各點(diǎn)信號時序圖

過流狀態(tài)下故障電流上升比較緩慢。根據(jù)圖6(a)時序圖，在t0時刻電流開始上升，在t1時刻，IGBT集電極和A點(diǎn)電壓升至VZ1擊穿電壓使其導(dǎo)通，T4、T5導(dǎo)通，穩(wěn)壓管VZ4擊穿導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)IGBT的快速降柵壓的過程。t2時刻，A點(diǎn)電位上升至穩(wěn)壓管VZ2擊穿電壓而B點(diǎn)未至穩(wěn)壓管VZ3擊穿電壓，電容C4通過導(dǎo)通的晶體管T3與電阻R9放電，從而逐漸降低柵射極電壓VGE，實(shí)現(xiàn)IGBT的慢速關(guān)斷。

(3)短路故障保護(hù)

如圖7(b)所示時序圖，短路電流上升很快，t1時刻流過IGBT的電流達(dá)到短路電流閾值，經(jīng)過短暫的故障判斷時間，在t2時刻B點(diǎn)電壓上升至穩(wěn)壓管VZ3擊穿電壓值，而A點(diǎn)電壓并未上升至對應(yīng)穩(wěn)壓管擊穿電壓，T3、T4、T5均未導(dǎo)通，此時不存在降柵壓的過程，而T6導(dǎo)通，電容C4通過T6和電阻R10放電，緩慢降低IGBT柵壓，可靠關(guān)斷IGBT。

2.2.2 電路驅(qū)動主要參數(shù)計算

(1)過流支路參數(shù)設(shè)計

由上小節(jié)分析可知檢測時間則由電阻R5、電容C3以及穩(wěn)壓管VZ1決定，而所降柵壓大小由穩(wěn)壓管VZ4的穩(wěn)壓值決定。A點(diǎn)電壓為12 V，在發(fā)生過負(fù)載故障時，該電路存在故障檢測閥值與檢測時間的設(shè)定。檢測時間設(shè)計為1.5 μs，A點(diǎn)電壓如式(1)，其中τ1=R4C3。

VA=20(1-et/τ1)+12e-t/τ1

(1)

在該故障狀態(tài)下的IGBT整個關(guān)斷過程還包括降柵壓延遲時間，VZ1和VZ2的穩(wěn)壓值與降柵壓延時時間的關(guān)系如式(2)所示，其中τ1=R4C3。

VZ2=20(1-et/τ2)+VZ1e-t/τ2

(2)

而之后的軟關(guān)斷的時間由τ3=R9C4確定，公式如(3)所示：

6.6=20e-t/τ3

(3)

(2)短路負(fù)載參數(shù)設(shè)計

短路驅(qū)動保護(hù)時，只有一段軟關(guān)斷過程。和過流支路軟關(guān)斷過程相似，軟關(guān)斷時間與R10，C4有關(guān)。

3 仿真分析驗證

根據(jù)2.2章節(jié)所設(shè)計的驅(qū)動控制電路結(jié)構(gòu)，在Saber仿真環(huán)境中搭建相應(yīng)的原理電路圖并設(shè)置各器件參數(shù)，然后進(jìn)行仿真分析，驗證其可行性，其中驅(qū)動開通電壓為15 V，關(guān)斷電壓為-5 V。

圖7 過負(fù)載故障時，IGBT的驅(qū)動電壓波形

圖8 短路故障時，IGBT的驅(qū)動電壓波形

對應(yīng)于微網(wǎng)系統(tǒng)中不同故障狀態(tài)，分別模擬過負(fù)載故障的狀態(tài)與短路故障狀態(tài)(集電極電壓上升速率和檢測閾值)，得到如圖7、圖8所示的IGBT柵極驅(qū)動電壓波形圖。圖7為過負(fù)載故障時的關(guān)斷驅(qū)動波形，降柵壓過程中，電壓下降為3 V，持續(xù)時間為5 μs，整個軟管段時間為20 μs。而圖8是短路故障時的關(guān)斷驅(qū)動電壓波形整個軟關(guān)斷時間為20 μs。

4 故障實(shí)驗驗證分析

圖9 交流驅(qū)動實(shí)驗電路拓?fù)?/p>

圖9所示電路拓?fù)錇橐? 200 V/75 A的IGBT模塊為核心的快速開關(guān)系統(tǒng)的實(shí)驗平臺，在無緩沖電路時驗證IGBT驅(qū)動電路在故障發(fā)生后降低電壓應(yīng)力的可行性。實(shí)驗拓?fù)淙鐚⒍O管D2陰極接入直流電壓源，調(diào)整該直流電壓，分別模擬過負(fù)載故障狀態(tài)和短路故障狀態(tài),其中US為電網(wǎng)電壓，Ro為1 Ω，模擬線路雜散電感LS為100 nH。

圖10 過負(fù)載故障狀態(tài)下， IGBT驅(qū)動電壓波形

圖11 短路故障狀態(tài)下， IGBT驅(qū)動電壓波形

過負(fù)載故障狀態(tài)下的IGBT驅(qū)動控制電壓實(shí)驗波形圖如圖10所示，而短路故障狀態(tài)下IGBT驅(qū)動控制電壓實(shí)驗波形如圖11所示，該IGBT驅(qū)動控制電路對應(yīng)于不同故障狀態(tài)所產(chǎn)生的驅(qū)動控制電壓變化趨勢與仿真和理論分析一致。

為適應(yīng)不同功率等級和驅(qū)動保護(hù)要求，在該驅(qū)動控制電路中可通過選擇不同的穩(wěn)壓管來調(diào)節(jié)所降柵壓的大小。

該驅(qū)動保護(hù)電路針對于微網(wǎng)系統(tǒng)中不同的故障狀態(tài)均能有效地產(chǎn)生相應(yīng)的IGBT驅(qū)動控制電壓。而且通過改變該驅(qū)動控制電路中的驅(qū)動控制以及滿足不同短路故障檢測要求的效果。

圖12 過負(fù)載故障下的主電路實(shí)驗波形圖

圖13 短路故障下的主電路實(shí)驗波形圖

同樣地，通過改變負(fù)載來模擬過負(fù)載故障與短路故障狀態(tài)，從而得到兩種故障狀態(tài)下的主電路實(shí)驗波形圖12和圖13所示。

根據(jù)圖12所示實(shí)驗波形可看出，在過負(fù)載故障狀態(tài)下，IGBT的關(guān)斷存在降柵壓過程，且在降柵壓后能夠有效地限制故障電流的大小，同時在延遲后實(shí)現(xiàn)了軟關(guān)斷的過程，抑制了過電壓的產(chǎn)生。而如圖13所示，在電流達(dá)到短路故障檢測閾值)時，IGBT驅(qū)動控制電路直接逐漸降柵壓進(jìn)行軟關(guān)斷，使得電流逐漸較小而抑制過電壓的產(chǎn)生。

5 結(jié)束語

該IGBT驅(qū)動保護(hù)電路針對不同的故障狀態(tài)能夠產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動控制電壓，從而應(yīng)用于新型微網(wǎng)系統(tǒng)的快速開關(guān)中，保證IGBT的可靠關(guān)斷。同時可調(diào)整該驅(qū)動控制電路中的部分器件與相

應(yīng)參數(shù)來適應(yīng)實(shí)際中不同的IGBT模塊與系統(tǒng)的保護(hù)要求，實(shí)現(xiàn)IGBT降柵壓過程的可調(diào)，軟關(guān)斷過程持續(xù)時間的可調(diào)以及短路故障檢測電壓的可調(diào)。但在實(shí)際應(yīng)用中，針對不同的電流等級，研究降柵壓的影響，還需對軟關(guān)斷時間進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，達(dá)到既能減小電壓應(yīng)力又能滿足微電網(wǎng)快速性的要求。

[1] HUANG ALEX Q．Renewable energy system research and education at the NSF FREEDM systems center[C]. IEEE Power and Energy Society General Meeting，PES ’09. Calgary，AB，Canada，2009(7)：1-6.

[2] 張明銳，劉金輝，金鑫．FREEDM微型電網(wǎng)及其繼電保護(hù)研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(7)：95-99.

[3] KRSTIC S，WELLNER E L，BENDRE A R，et al.Circuit breaker technologies for advanced ship power systems[C].ESTS ’07 IEEE Electric Ship Technologies Symposium，2007.Arlington，VA，2007(5)：201-208.

[4] 呂婷婷，段玉兵，龔宇雷．微電網(wǎng)故障暫態(tài)分析及抑制方法研究[J]，電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2011，39(2)：102-107，130.

[5] 呂玉詳，張志強(qiáng)，袁闊．新型智能固態(tài)斷路器研制[J]．電力自動化設(shè)備，2008，28(9)：112-114.

[6] 周華，孟晨，張占軍,等．智能電網(wǎng)及高壓開關(guān)設(shè)備技術(shù)發(fā)展[J]．電氣技術(shù)，2010,11(8)：25-27.

[7] LEFEBVRE S，MISEREY F.Analysis of CIC NPT IGBT’s Turn-off operations for high switching current Level[J].IEEE Transactions on Electron Devices，2002，6(8)：1042-1049.

[8] SUNG W，HUANG A Q，BALIGA B JAYANT.A novel 4H-SiC IGBT structure with improved trade-off between short circuit capability and on-state voltage drop[C].Power Semiconductor Devices & IC’s (ISPSD)，2010.International Symposium on Hiroshima，2010.

[9] 鄧夷，趙爭鳴，袁立強(qiáng),等．適用于復(fù)雜電路分析的IGBT模型[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報，2010，9(30)：1-7.

[10] 張明銳，金鑫，劉金輝,等．基于IGBT的固態(tài)斷路器的開斷策略研究[J]．電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2012，40(18)：123-126.

A Study on the Drive Circuit in the Fast Switching System of Micro Grid

Zou Yunfei, Wang Huizhen, Niu Xianzhi

(College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing Jiangsu 210016, China)

With respect to the fast switching system in the new micro grid system FREEDM (Future Renewable Electric Energy Delivery and Management), this paper proposes a new IGBT drive control circuit. The IGBT is used in the FREEDM fast-switching system. Based on its different switching-on/off characters in different fault conditions, by using collector off-saturation principle, this paper gives a design of an IGBT drive control circuit with double fault detection branches, thus ensuring reliable switching-on/off of the IGBT in the FREEDM. Finally, through Saber simulation and experiment, it is verified that the drive control circuit can reliably switch off the IGBT in different fault conditions.

FREEDM; IGBT; fast switch; collector off-saturation; double fault detection branches

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.05.036

TM761

A

1000-3886(2016)05-0115-04

鄒云飛(1990-)，男，安徽蕪湖人，碩士生，研究方向為IGBT驅(qū)動與IGBT串聯(lián)應(yīng)用研究。

定稿日期: 2016-02-29