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        新型IGBT驅(qū)動(dòng)策略在船用直流電網(wǎng)短路保護(hù)中的應(yīng)用

        2017-04-02 03:22:02郭江榮
        中國(guó)航海 2017年4期
        關(guān)鍵詞:集電極尖峰限流

        郭江榮

        (寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院,浙江 寧波 315211)

        隨著船舶電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,直流電力推進(jìn)系統(tǒng)以其節(jié)能、占用空間小、質(zhì)量輕及擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì),逐步成為船舶所有人和船廠首選的電力系統(tǒng)形式。但是,目前依然沒(méi)有足夠完美的解決直流電網(wǎng)短路保護(hù)問(wèn)題的方案,船用直流電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)的故障電流將達(dá)到7~8倍的額定電流。[1-2]目前采用的直流電力系統(tǒng)中含有大量電力電子設(shè)備,7~8倍的額定電流幾乎會(huì)對(duì)這些設(shè)備造成毀滅性損壞。

        為解決船舶電力系統(tǒng)短路保護(hù)的快速性和選擇性問(wèn)題,基于瞬時(shí)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法及基于差動(dòng)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法等多種方法[3-4]陸續(xù)被提出,其中:基于瞬時(shí)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法使用快速熔斷器與斷路器的工作時(shí)間差進(jìn)行選擇性保護(hù),具有易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但對(duì)系統(tǒng)短路阻抗及快速熔斷器動(dòng)作時(shí)間的精度的依賴性較強(qiáng);基于差動(dòng)保護(hù)的選擇性保護(hù)方法利用差動(dòng)保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)選擇性保護(hù),具有選擇性好、動(dòng)作靈敏快速的特點(diǎn),但在應(yīng)用和適裝性上有一定的缺陷。加裝短路限流裝置是解決此類問(wèn)題主要采用的方法之一。短路限流裝置有很多種,包括快速熔斷器[5]、超導(dǎo)限流器[6]、磁元件限流器[7]、PTC電阻限流器[8]及固態(tài)限流器等,其中:快速熔斷器為單次動(dòng)作降低了系統(tǒng)運(yùn)行的自動(dòng)化水平;其他裝置均因基礎(chǔ)技術(shù)尚不成熟或無(wú)法適用于直流系統(tǒng)而不能很好地解決該問(wèn)題。使用電力電子設(shè)備[9]達(dá)到限流的效果具有一定的優(yōu)勢(shì),但目前的電力電子設(shè)備只適用于母聯(lián)之間的連接,用于切斷故障供電區(qū),并不能保護(hù)單個(gè)設(shè)備,且成本較高。

        對(duì)此,通過(guò)優(yōu)化IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的驅(qū)動(dòng)策略及短路保護(hù)動(dòng)作,能在發(fā)生短路故障時(shí)迅速識(shí)別并快速切斷故障,同時(shí)具有可恢復(fù)性。在MTLAB中搭建仿真模型,并搭建模擬試驗(yàn)平臺(tái),分析該IGBT驅(qū)動(dòng)策略及短路保護(hù)動(dòng)作的快速性和安全性,為進(jìn)一步優(yōu)化船舶直流電力系統(tǒng)短路保護(hù)的快速性和選擇性提供參考。

        1 基于IGBT的船用直流電網(wǎng)瞬時(shí)短路保護(hù)方案

        在船舶直流電力系統(tǒng)中,為實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的快速性和選擇性,IGBT開(kāi)關(guān)是最合適的選擇,基于IGBT的短路保護(hù)方案見(jiàn)圖1。

        IGBT開(kāi)關(guān)主要由驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、保護(hù)和反饋電路組成,重點(diǎn)需解決短路檢測(cè)及短路保護(hù)策略問(wèn)題。

        2 IGBT短路特性

        IGBT的短路主要分為以下2種:

        1) HSF(Hard Switching Fault),是指在IGBT開(kāi)通之前,主回路已短路,IGBT在阻抗非常低的回路中開(kāi)通的狀態(tài),如上下橋臂直通。

        2) FUL(Fault Under Load),是指在IGBT已開(kāi)通、工作于飽和區(qū)時(shí),主回路發(fā)生短路的情況。

        在HSF情況下,IGBT的開(kāi)通過(guò)程[10]見(jiàn)圖2,其中:VGE為IGBT門(mén)極對(duì)發(fā)射級(jí)電壓;VCE為IGBT集電極對(duì)發(fā)射級(jí)電壓;VCC為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓最大值;VEE為門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓最小值;Vbus為直流母線電壓。

        在FUL情況下,IGBT的開(kāi)通過(guò)程[11]見(jiàn)圖3。

        圖2 HSF情況下IGBT的開(kāi)通過(guò)程圖3 FUL情況下IGBT的開(kāi)通過(guò)程

        3 di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路策略

        根據(jù)上述IGBT短路特性,采用一種di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路策略,其原理圖見(jiàn)圖4。該策略集合傳統(tǒng)集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)與di/dt檢測(cè)的優(yōu)勢(shì),可更加快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)IGBT短路狀態(tài)。

        di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路策略包含di/dt檢測(cè)和集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)2種檢測(cè)方法,二者的功能在時(shí)序上是相互獨(dú)立的。

        首先作用的是di/dt檢測(cè)。IGBT含有輔助E極AE(Auxiliary E)和功率E極PE(Power E)2個(gè)E級(jí),其中:AE簡(jiǎn)稱為E,在IGBT模塊內(nèi)部;而PE與主回路相連。2個(gè)E極之間存在著一個(gè)較小的寄生電感LE。在IGBT集電極電流上升過(guò)程中,LE上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)上正下負(fù)的感應(yīng)電勢(shì),其絕對(duì)值與集電極電流上升率di/dt成正比。在發(fā)生短路時(shí),di/dt遠(yuǎn)超正常開(kāi)通時(shí)的等級(jí),因此通過(guò)檢測(cè)LE上的感應(yīng)電勢(shì),當(dāng)其超過(guò)某設(shè)定的閾值時(shí),即可判斷發(fā)生短路。

        在圖4中,以E點(diǎn)為電壓參考點(diǎn),B點(diǎn)的電勢(shì)為

        (1)

        式(1)中:VD2為D2的開(kāi)通管壓降;VPE為PE點(diǎn)電勢(shì)。di/dt越大,LE上的感應(yīng)電壓絕對(duì)值越大,VPE越低,VB隨之降低。因此,設(shè)置合理的電壓閾值Vref2,使正常開(kāi)通時(shí)有

        VD2-VPE)>Vref2

        (2)

        發(fā)生短路時(shí)有

        VD2-VPE)≤Vref2

        (3)

        開(kāi)通信號(hào)一旦到來(lái),如圖3中的t0時(shí)刻,di/dt立即開(kāi)始發(fā)揮作用,并在開(kāi)通信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終發(fā)揮作用。當(dāng)式(3)成立時(shí),短路檢測(cè)比較器U2即向IGBT驅(qū)動(dòng)器反饋一個(gè)短路信號(hào),否則發(fā)送狀態(tài)正常信號(hào)。

        集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)遲于di/dt檢測(cè)發(fā)揮作用。圖4中,在IGBT的門(mén)極G與集電極C之間反并聯(lián)一個(gè)高耐壓的二極管D1,其耐壓值必須高于IGBT集電極電壓峰值。由前述IGBT開(kāi)通過(guò)程可知,在圖3中的t4時(shí)刻之后,若IGBT正常開(kāi)通,應(yīng)工作于飽和區(qū),集電極電壓VCE只有幾伏,因此D1是正向?qū)ǖ?。以E為電壓參考點(diǎn),A點(diǎn)電勢(shì)為

        VA=VCE+VD1

        (4)

        式(4)中:VD1為D1的開(kāi)通管壓降。在HSF情況下,t4時(shí)刻后VCE將持續(xù)較高,D1反向截止,A點(diǎn)電壓為VCC;若出現(xiàn)FUL情況,VCE將隨IGBT退飽和而迅速升高,D1將反向截止,A點(diǎn)電壓將升高為VCC。因此,在t4時(shí)刻之后,若檢測(cè)A點(diǎn)電勢(shì)高于某設(shè)定閾值,即可判斷發(fā)生短路。

        設(shè)置一個(gè)適當(dāng)?shù)碾妷洪撝礦ref1,使IGBT正常工作時(shí)有

        VA

        (5)

        在HSF及FUL情況下有

        VA≥Vref2

        (6)

        在IGBT開(kāi)通信號(hào)到來(lái)并經(jīng)過(guò)盲區(qū)時(shí)間之后,集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)開(kāi)始,并在開(kāi)通信號(hào)持續(xù)時(shí)間內(nèi)始終發(fā)揮作用。設(shè)置盲區(qū)時(shí)間是為了避免在IGBT正常開(kāi)通時(shí)VCE的下降過(guò)程中產(chǎn)生誤檢測(cè)。盲區(qū)時(shí)間是從開(kāi)通信號(hào)到來(lái)至集電極電壓VCE下降到飽和電壓VCEsat的時(shí)間,即圖3中的t0~t4。在集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)持續(xù)時(shí)間內(nèi),若式(6)成立,則短路檢測(cè)比較器U1立即向IGBT驅(qū)動(dòng)器反饋一個(gè)短路信號(hào),否則發(fā)送狀態(tài)正常信號(hào)。

        di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路策略是將上述2種IGBT短路檢測(cè)策略結(jié)合起來(lái)得到的,其特點(diǎn)主要有:

        1) di/dt檢測(cè)負(fù)責(zé)HSF情況和短路回路負(fù)載極小的FUL情況的短路檢測(cè)。

        2) 集電極電壓VCE退飽和檢測(cè)負(fù)責(zé)短路回路負(fù)載較大的FUL情況和電流上升率較低而使di/dt漏檢測(cè)的HSF情況的短路檢測(cè)。

        當(dāng)上述2種檢測(cè)方式中的任意一種檢測(cè)到短路狀態(tài)時(shí),IGBT驅(qū)動(dòng)器都會(huì)收到短路信號(hào),并立即采取保護(hù)措施,為IGBT提供最好的保護(hù)。

        綜上所述,di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路策略的優(yōu)勢(shì)在于電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低,并能更早地檢測(cè)到HSF情況及短路負(fù)載極小的FUL情況,同時(shí)能全面地檢測(cè)其他短路情況,確保IGBT安全工作。

        4 IGBT軟關(guān)斷短路保護(hù)策略

        在IGBT驅(qū)動(dòng)器接收到短路檢測(cè)電路發(fā)來(lái)的短路信號(hào)之后,需對(duì)IGBT進(jìn)行關(guān)斷。若直接將門(mén)極供電電壓VCC切換為負(fù)電壓VEE,門(mén)極電壓UGE將迅速降低。由于檢測(cè)到短路時(shí)IGBT處于線性區(qū),此時(shí)集電極電流IC正在以很大的速率上升,因此集電極電壓VCE將隨門(mén)極電壓VGE的下降而上升。之后,集電極電流IC會(huì)因門(mén)極電壓VGE下降至門(mén)檻電壓VGE(th)以下而以極大的速率下降,這會(huì)在短路回路寄生電感Lshort上產(chǎn)生一個(gè)與母線電壓同向的感應(yīng)電壓,使集電極電壓產(chǎn)生很高的電壓尖峰,見(jiàn)式(7)。若不采取保護(hù)措施,則該電壓尖峰很可能使IGBT發(fā)生電壓擊穿,即使IGBT沒(méi)有直接被損壞,由于其工作在線性區(qū),過(guò)高的電壓尖峰也會(huì)使關(guān)斷損耗遠(yuǎn)大于正常關(guān)斷的情況,對(duì)IGBT造成損害。

        (7)

        為解決短路保護(hù)的關(guān)鍵問(wèn)題——關(guān)斷電壓尖峰,提出一種基于門(mén)極電壓控制的軟關(guān)斷技術(shù)。該技術(shù)的核心是緩慢降低門(mén)極電壓,使IGBT集電極電流緩慢減小。較小的集電極電流變化率di/dt會(huì)降低短路回路寄生電感Lshort上產(chǎn)生的感應(yīng)電壓,從而減小關(guān)斷電壓尖峰。

        圖5為IGBT最大短路時(shí)間與門(mén)極電壓間的關(guān)系曲線,可看出二者呈反比關(guān)系。在發(fā)生短路時(shí),緩慢降低IGBT的門(mén)極電壓雖然可延長(zhǎng)關(guān)斷時(shí)間,但I(xiàn)GBT承受短路的時(shí)間會(huì)隨之增加,因此只要在最大短路時(shí)間之內(nèi)將門(mén)極電壓降至門(mén)檻電壓VGE(th)以下,IGBT就不會(huì)損壞。軟關(guān)斷的實(shí)現(xiàn)方式見(jiàn)圖6。在正常開(kāi)通時(shí),S1和S5導(dǎo)通,門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓為+15 V;在正常關(guān)斷時(shí),S3和S4導(dǎo)通,門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓為-15 V;在軟關(guān)斷時(shí),S2和S5導(dǎo)通,門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓為0。當(dāng)驅(qū)動(dòng)器收到短路信號(hào)時(shí),立即進(jìn)行軟關(guān)斷。選取適當(dāng)?shù)能涥P(guān)斷門(mén)極電阻Rst,門(mén)極電容通過(guò)Rst和RE放電,門(mén)極電壓較為緩慢地下降。軟關(guān)斷過(guò)程持續(xù)到IGBT集電極電流IC=0,然后切換到硬關(guān)斷狀態(tài),向IGBT門(mén)極加負(fù)壓。

        軟關(guān)斷技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)是在發(fā)生短路時(shí)緩慢降低集電極電流,大大減小關(guān)斷電壓尖峰,使IGBT免于電壓擊穿。此外,雖然關(guān)斷時(shí)間延長(zhǎng),但由于電壓尖峰大大減小,關(guān)斷功耗隨之減小。軟關(guān)斷技術(shù)的另一優(yōu)勢(shì)是可在檢測(cè)到短路時(shí)立即采取保護(hù)措施,無(wú)需等待集電極電壓上升至母線電壓,這使得IGBT承受短路的時(shí)間更不易超過(guò)允許的最大短路時(shí)間。

        5 試驗(yàn)驗(yàn)證

        搭建測(cè)試平臺(tái),原理見(jiàn)圖7,模擬在發(fā)生短路故障時(shí)IGBT的檢測(cè)和保護(hù)性能。IGBT的選型為infineon的FF1000R17IE4,電容容值為9.6 mF,充電至1 000 V,先給IGBT導(dǎo)通信號(hào),模擬負(fù)載側(cè)短路,此時(shí)測(cè)得的波形見(jiàn)圖8。

        圖7 測(cè)試平臺(tái)原理圖8 短路故障試驗(yàn)波形

        從圖8中可看出,短路檢測(cè)時(shí)間約為8 μs,短路保護(hù)軟關(guān)斷時(shí)間約為2 μs,關(guān)斷電壓沖擊約為100 V。電流沖擊較大,但時(shí)間較短,并未對(duì)IGBT造成損傷。

        6 結(jié)束語(yǔ)

        為滿足船用直流電網(wǎng)短路時(shí)對(duì)快速性和選擇性的要求,通過(guò)研究IGBT的短路特性,提出一種di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測(cè)短路的策略,該策略具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的優(yōu)點(diǎn),不僅能更早地檢測(cè)到HSF情況及短路負(fù)載極小的FUL情況,還能全面檢測(cè)其他短路情況,確保IGBT安全工作。為確保短路故障發(fā)生之后能快速關(guān)斷電路且不產(chǎn)生次生危害,提出一種軟關(guān)斷短路保護(hù)策略,在發(fā)生短路時(shí)緩慢降低集電極電流,大大減小關(guān)斷電壓尖峰,使IGBT免于電壓擊穿。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的可用性。

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