盧其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京 100083)

限流式固態(tài)斷路器及其實(shí)驗(yàn)裝置研制與應(yīng)用

盧其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院, 北京 100083)

開發(fā)了一套基于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)并聯(lián)的限流式固態(tài)斷路器,并以此為基礎(chǔ)設(shè)計了一套電力電子器件及固態(tài)斷路器測試實(shí)驗(yàn)裝置。該實(shí)驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流特性測試、二極管反向擊穿電壓測試、MOSFET的關(guān)斷能量損耗測試等實(shí)驗(yàn),還可驗(yàn)證固態(tài)斷路器在防止越級跳閘及降低電氣火災(zāi)隱患等方面的功能。該實(shí)驗(yàn)裝置有利于加深學(xué)生對MOSFET、二極管相關(guān)電氣特性以及基于電力電子器件的固態(tài)斷路器的理解,提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識的能力。

固態(tài)斷路器； 實(shí)驗(yàn)裝置； MOSFET； 電氣特性

電力電子技術(shù)在新能源發(fā)電、直流輸電、電能儲存、電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能、工業(yè)電機(jī)驅(qū)動、電能質(zhì)量控制、智能電網(wǎng)建設(shè)、船舶電力推進(jìn)、現(xiàn)代國防設(shè)備、家用電器等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-8]。電力電子技術(shù)課程作為電氣工程專業(yè)的一門專業(yè)必修課也發(fā)揮著越來越重要的作用。電力電子技術(shù)一般包括電力電子器件、電力電子裝置、系統(tǒng)與控制[9]等方面的內(nèi)容,而電力電子器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ),深入了解電力電子器件的電氣特性對于學(xué)生提高電力電子技術(shù)應(yīng)用能力至關(guān)重要。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn),當(dāng)前我國主流的面向電氣類大學(xué)生的電力電子技術(shù)課程配套實(shí)驗(yàn)裝置缺少對電力電子器件特性測試的實(shí)驗(yàn),在實(shí)際應(yīng)用條件下進(jìn)行相關(guān)測試的實(shí)驗(yàn)設(shè)備則更少,這不利于提高學(xué)生理解和應(yīng)用電力電子器件的能力。為此,開發(fā)了一套基于金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOSFET)并聯(lián)的限流式固態(tài)斷路器,并以限流式固態(tài)斷路器為核心設(shè)計了一套電力電子器件及固態(tài)斷路器測試裝置,利用該裝置可進(jìn)行MOSFET的靜態(tài)和動態(tài)均流特性實(shí)驗(yàn)、二極管反向擊穿電壓測試實(shí)驗(yàn)、MOSFET的關(guān)斷能量損耗測試實(shí)驗(yàn),還可進(jìn)一步驗(yàn)證固態(tài)斷路器在防止越級跳閘、降低電氣火災(zāi)隱患方面的作用。通過這些實(shí)驗(yàn),學(xué)生可深入理解MOSFET的相關(guān)電氣特性以及固態(tài)斷路器的相關(guān)知識,對于提高學(xué)生綜合運(yùn)用專業(yè)知識的能力具有重要的促進(jìn)作用。

1 裝置構(gòu)成及工作原理

固態(tài)斷路器實(shí)驗(yàn)裝置框圖見圖1,其輸入電壓為交流220 V,主要包括固態(tài)斷路器TR、空氣開關(guān)(QF1和QF2)、轉(zhuǎn)換開關(guān)SQ、短路電阻R1、阻性負(fù)載R2、接觸器T以及示波器。負(fù)載R2為固態(tài)斷路器的負(fù)載,R1為短路電阻,R1=0.01 Ω。轉(zhuǎn)換開關(guān)SQ可手動將負(fù)載與固態(tài)斷路器TR支路或者空氣開關(guān)QF2支路相連以進(jìn)行相關(guān)測試。圖2為限流式固態(tài)斷路器的原理框圖,其主開關(guān)由10個型號為IRFP460的MOSFET并聯(lián)為一組,然后由兩組MOSFET反向串聯(lián)實(shí)現(xiàn)。

圖1 固態(tài)斷路器實(shí)驗(yàn)裝置框圖

圖2 固態(tài)斷路器原理框圖

1.1 硬件設(shè)計

固態(tài)斷路器的硬件設(shè)計包括主開關(guān)電路、控制電路、驅(qū)動電路和調(diào)理電路的設(shè)計。主開關(guān)電路由10個IRFP460并聯(lián)成一組,然后兩組再反向串聯(lián)構(gòu)成?？刂破鞑捎肨I公司的TMS320F28035。以TLP250光耦為核心組成驅(qū)動電路。電壓和電流檢測調(diào)理電路分別如圖3和圖4所示，圖中Vref為基準(zhǔn)電壓。目的在于將電壓、電流互感器的交流采樣信號Vin1和Vin2調(diào)理至0～3 V,以滿足DSP中A/D采樣電壓范圍的要求。2個檢測電路的輸入輸出電壓關(guān)系分別為:

(1)

(2)

圖3 電壓檢測電路

圖4 電流檢測電路

短路時,由于電流增長迅速,為了提高保護(hù)速度,采用如圖5所示的硬件電流比較電路。圖5中閾值Vmax和Vmin分別對應(yīng)正弦波正半周和負(fù)半周時的電流保護(hù)閾值。當(dāng)電流采樣信號大于Vmax或者小于Vmin時,電路輸出低電平到DSP的I/O端口,DSP接收到信號后,直接發(fā)出關(guān)斷MOSFET信號。

1.2 軟件設(shè)計

軟件的任務(wù)是實(shí)時檢測電路的電壓、電流等參數(shù),計算電壓、電流的有效值并用數(shù)碼管顯示,以及根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電流保護(hù)閾值決定是否控制MOSFET動作。主程序流程見圖6,當(dāng)控制器檢測到交流輸入電壓的過零點(diǎn)時開始一個工頻周期的信號采集,利用定時器定時觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換器,采樣電壓和電流的數(shù)值,并記錄采樣點(diǎn)的個數(shù)。根據(jù)一個工頻周期內(nèi)的采樣數(shù)據(jù)和采樣點(diǎn)數(shù)量,計算得到電壓和電流的有效值并進(jìn)行判斷。當(dāng)電流達(dá)到過載值且持續(xù)一定的時間后,控制器發(fā)出關(guān)斷MOSFET的信號；當(dāng)發(fā)生短路故障時,速斷MOSFET,無論過載還是短路故障發(fā)生后,都需等待人工處理,防止故障進(jìn)一步擴(kuò)大。圖7為所研制的固態(tài)斷路器電路板及樣機(jī)。

圖5 電流比較電路

圖7 固態(tài)斷路器的電路板及樣機(jī)

2 實(shí)驗(yàn)方案

按照圖1設(shè)計的實(shí)驗(yàn)裝置見圖8。圖1中的接觸器T、示波器和負(fù)載R2需單獨(dú)接線,利用該實(shí)驗(yàn)裝置可進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置

2.1 MOSFET穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流特性測試實(shí)驗(yàn)

當(dāng)多個MOSFET并聯(lián)時,若某個MOSFET的電流增大,該MOSFET相對于其他MOSFET溫度會升高,由于MOSFET的正溫度系數(shù)特性,其電阻增大,電流會減小,從而實(shí)現(xiàn)自動均流效果[10-11]。圖9為IRFP460規(guī)格書中導(dǎo)通電阻RDS(on)隨結(jié)溫TJ變化的曲線,可以看出導(dǎo)通電阻與結(jié)溫成正比。當(dāng)選取同型號、同批次且內(nèi)部參數(shù)分散性小的MOSFET、并聯(lián)安裝在同一個散熱片上時,可實(shí)現(xiàn)較好的均流效果。

圖9 IRFP460導(dǎo)通電阻隨結(jié)溫變化的曲線

測試MOSFET穩(wěn)態(tài)均流特性的實(shí)驗(yàn)方法:控制轉(zhuǎn)換開關(guān)SQ位置,使負(fù)載支路與固態(tài)斷路器TR支路連接,閉合QF1,斷開接觸器T和QF2,啟動固態(tài)斷路器,用示波器觀察并記錄MOSFET各支路的電流波形以及回路總電流io的波形。

測試MOSFET動態(tài)均流特性的實(shí)驗(yàn)方法:當(dāng)固態(tài)斷路器正常工作時,閉合接觸器T,使固態(tài)斷路器處于短路狀態(tài)。由于短路后,電流迅速上升并達(dá)到固態(tài)斷路器限流保護(hù)值,MOSFET關(guān)斷。利用示波器測量負(fù)載突變后各MOSFET的電流波形以及回路總電流io的波形,可觀察到MOSFET的動態(tài)均流特性。圖10(a)和(b)分別為MOSFET穩(wěn)態(tài)和負(fù)載突變情況下的均流效果波形圖,受示波器探頭數(shù)量的限制,圖中只給出了3個MOSFET支路的電流波形圖,分別為io1、io2和io3。從波形圖可以看出,無論在穩(wěn)態(tài)還是在負(fù)載突變情況下,各MOSFET支路的電流波形及大小基本一致,都具有良好的均流效果。

圖10 MOSFET穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流特性實(shí)驗(yàn)電流波形圖

通過該實(shí)驗(yàn)裝置測試MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流效果,有助于學(xué)生理解MOSFET靜態(tài)正溫度系數(shù)特性及MOSFET并聯(lián)后的均流特性。

2.2 二極管反向擊穿電壓測試實(shí)驗(yàn)

圖11為MOSFET(IRFP460)達(dá)到限流值IDM關(guān)斷時的電壓、電流波形測試圖。從圖中可看出,當(dāng)電流增大并超過IDM后,MOSFET關(guān)斷,其兩端電壓uds迅速上升,最終被鉗位在反向擊穿電壓VBR,從IRFP460規(guī)格書中可以查到其VBR為500 V,而經(jīng)本實(shí)驗(yàn)測得其VBR約為530 V左右。通過該方法測試二極管的反向擊穿電壓,可提高學(xué)生對二極管伏安特性的理解,并認(rèn)識到寄生二極管對MOSFET具有一定的電壓保護(hù)作用。

圖11 關(guān)斷時MOSFET的電壓電流波形

2.3 MOSFET的關(guān)斷能量損耗測試實(shí)驗(yàn)

MOSFET寄生二極管的PN結(jié)反向偏置且電壓不斷上升時,其空間電荷區(qū)的電場也隨之不斷增強(qiáng),當(dāng)電場強(qiáng)度升高到一定程度時,會引起空間電荷區(qū)中自由載流子密度雪崩式倍增,稱之為雪崩擊穿現(xiàn)象[13]。當(dāng)其能量集聚,達(dá)到或超過雪崩擊穿能量EAS時,MOSFET將出現(xiàn)損壞[14]。

當(dāng)發(fā)生短路時,MOSFET關(guān)斷,uds超過其寄生二極管的VBR后,二極管被擊穿,電流將從MOSFET轉(zhuǎn)移至寄生二極管,寄生二極管將承受大部分短路電流。如果該短路電流較大且承受時間tf較長,那么通過寄生二極管的能量有可能超過其雪崩擊穿能量EAS,從而導(dǎo)致MOSFET損壞。為了驗(yàn)證該能量是否超過雪崩擊穿能量EAS,可通過圖11的波形圖估算各寄生二極管的損耗Eon,計算公式為

(3)

其中,N為并聯(lián)MOSFET的數(shù)量。

將計算得到的損耗Eon與規(guī)格書中IRFP460的單次雪崩能量EAS列于表1,可以看出損耗Eon小于單次雪崩能量EAS。因此,當(dāng)并聯(lián)10個MOSFET時,即使該電路不加任何過壓保護(hù)也不至于損壞MOSFET,實(shí)驗(yàn)結(jié)果也證明了這一點(diǎn)。若希望進(jìn)一步提高對MOSFET的保護(hù)效果,可通過增加過電壓抑制電路來實(shí)現(xiàn):比如在MOSFET兩端并聯(lián)阻容吸收電路或者壓敏電阻,保證MOSFET關(guān)斷時,其兩端電壓小于VBR,這樣關(guān)斷時電流就不會通過MOSFET的寄生二極管,從而避免出現(xiàn)雪崩擊穿現(xiàn)象。

表1 雪崩能量EAS與損耗Eon對比

該實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生掌握計算MOSFET關(guān)斷時流過的能量,并對MOSFET關(guān)斷時損壞的原因進(jìn)行分析。

2.4 防止越級跳閘實(shí)驗(yàn)

越級跳閘是指供電系統(tǒng)中發(fā)生故障時,超出故障線路以外的上級開關(guān)發(fā)生跳閘停電,導(dǎo)致非故障線路停電,致使故障停電影響范圍擴(kuò)大的現(xiàn)象[15]。

利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行越級跳閘測試時,將圖1中的轉(zhuǎn)換開關(guān)SQ接通負(fù)載支路與QF2支路,閉合空氣開關(guān)QF1、QF2,斷開固態(tài)斷路器TR,令接觸器T閉合。此時線路處于短路狀態(tài),盡管QF1的電流等級要大于QF2,但是實(shí)際中由于QF1和QF2的關(guān)斷速度較慢且不一致,往往導(dǎo)致它們都會跳閘,出現(xiàn)越級跳閘現(xiàn)象,擴(kuò)大了事故范圍。

當(dāng)上級采用機(jī)械式斷路器QF1,而下一級采用固態(tài)斷路器TR,即利用轉(zhuǎn)換開關(guān)SQ接通負(fù)載與TR支路,閉合QF1、TR,斷開QF2,并將T閉合短路后,由于固態(tài)斷路器的快速斷電特性,不會引起上級斷路器QF1跳閘。

該實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生理解固態(tài)斷路器的快速斷電特性在防止越級跳閘中的作用。

2.5 降低電氣火災(zāi)隱患實(shí)驗(yàn)

當(dāng)線路中出現(xiàn)短路故障時,及時切斷短路電流能有效降低電氣火災(zāi)隱患[16]。但是由于空氣開關(guān)斷開時間相對較長,從短路到斷開這段時間里,在短路點(diǎn)已經(jīng)積聚了較大能量,一旦周邊有易燃物,很可能會引起火災(zāi)。而固態(tài)斷路器由于斷開速度快,可以有效避免上述問題的發(fā)生。通過下述實(shí)驗(yàn)可進(jìn)行對比驗(yàn)證:在放置實(shí)驗(yàn)裝置的短路觀察室中,將較細(xì)的零線和火線擰在一起,并在周圍放置棉花,帶上較大的負(fù)載,細(xì)線發(fā)熱最終導(dǎo)致短路。圖12為利用斷路器QF2進(jìn)行短路保護(hù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,顯然燃燒室中的棉花被引燃。圖13為利用固態(tài)斷路器進(jìn)行短路保護(hù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,由于固態(tài)斷路器保護(hù)速度快,能量集聚較小,僅有微小的火花,并迅速消失,且棉花沒有被引燃。

該實(shí)驗(yàn)可幫助學(xué)生理解固態(tài)斷路器的快速斷電特性對于防止電氣火災(zāi)的作用。

圖12 采用機(jī)械式斷路器實(shí)驗(yàn)效果圖

圖13 采用固態(tài)斷路器防火效果實(shí)驗(yàn)圖

3 總結(jié)

本文開發(fā)了基于MOSFET并聯(lián)的限流式固態(tài)斷路器,給出了軟硬件的總體實(shí)現(xiàn)方式,并以此為基礎(chǔ),設(shè)計了一個電力電子器件及固態(tài)斷路器測試實(shí)驗(yàn)裝置。利用該實(shí)驗(yàn)裝置,可進(jìn)行MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流特性實(shí)驗(yàn)、二極管反向擊穿電壓測試實(shí)驗(yàn)、MOSFET關(guān)斷能量損耗的測試實(shí)驗(yàn)；同時可以驗(yàn)證快速斷電在防止越級跳閘、降低電氣火災(zāi)隱患方面的作用。文中還給出了利用該實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)的方法和步驟。

盡管利用本文所開發(fā)的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)時得到的電氣參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法可能不完全一致,例如:二極管的反向擊穿電壓測試實(shí)驗(yàn),MOSFET的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)均流實(shí)驗(yàn)。但該實(shí)驗(yàn)裝置可以讓學(xué)生在實(shí)際應(yīng)用中去測量MOSFET的相關(guān)電氣參數(shù),深入理解和應(yīng)用電力電子器件,了解固態(tài)斷路器與機(jī)械斷路器的區(qū)別。該實(shí)驗(yàn)裝置不僅有利于激發(fā)學(xué)生們的學(xué)習(xí)興趣,還可以提高其綜合運(yùn)用專業(yè)知識解決實(shí)際問題的能力。

References)

[1] 錢照明, 張軍明, 盛況. 電力電子器件及其應(yīng)用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2014, 34(29):34-37.

[2] 趙爭鳴, 袁立強(qiáng), 魯挺, 等. 我國大容量電力電子技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展綜述[J]. 電氣工程學(xué)報, 2015, 10(4):26-34.

[3] 臧春艷, 裴振江, 茍銳鋒, 等. 智能電網(wǎng)與現(xiàn)代電力電子技術(shù)[J]. 電氣應(yīng)用, 2010, 29(13):50-53.

[4] 肖湘寧. 新一代電網(wǎng)中多源多變換復(fù)雜交直流系統(tǒng)的基礎(chǔ)問題[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(15):1-14.

[5] 張文亮, 湯廣福, 查鯤鵬, 等. 先進(jìn)電力電子技術(shù)在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報, 2010, 30(4):1-7.

[6] 張文選, 張瑞芹, 曹冬冬, 等. 電機(jī)系統(tǒng)及其節(jié)能技術(shù)評價研究[J]. 節(jié)能, 2014(2):8-11.

[7] 溫旭輝. 電動汽車電機(jī)驅(qū)動技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展綜述[J]. 電力電子, 2013(2):5-9.

[8] 章建峰, 楊禎, 房玲. 船舶直流固態(tài)功率控制器技術(shù)研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2015, 38(13):125-128.

[9] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2009.

[10] 錢敏, 徐鳴謙, 米智楠. 功率MOSFET并聯(lián)驅(qū)動特性分析[J]. 半導(dǎo)體技術(shù), 2007, 32(11):951-956.

[11] 劉平, 上官曉娟, 郭艷花. 功率MOSFET并聯(lián)應(yīng)用及研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(10):8-20.

[12] 童詩白, 華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 北京:高等教育出版社, 2006.

[13] 徐德鴻, 陳治明, 李永東, 等. 現(xiàn)代電力電子學(xué)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2012.

[14] 劉松, 楊營. 功率MOSFET雪崩能量及雪崩失效分析[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用, 2016, 42(4):132-134.

[15] 尹成迅, 潘獻(xiàn)全. 煤礦供電系統(tǒng)越級跳閘研究[J]. 煤炭科學(xué)技術(shù), 2011, 39(6):66-69.

[16] 高鍇. 電氣火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)和電氣火災(zāi)預(yù)防[J]. 建筑電氣, 2013(11):54-56.

Development and application of current-limiting solid-state circuit breaker and its experimental device

Lu Qiwei, Lei Ting, Gao Zhixuan, He Bangbang

(School of Mechanical Electronicand Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

A current-limiting solid-state circuit breaker based on the MOSFET parallel is developed. On the basis of this, a set of the power electronic device and the experimental device for the solid-state circuit breaker test are designed. This experimental device can realize the experiments for the MOSFET steady-state and dynamic current sharing characteristic test, the diode reverse breakdown voltage test, the MOSFET shutdown energy loss test, etc. It can also be used to verify the functions of the solid-state circuit breaker in preventing the leapfrog trip, reducing the hidden danger of electric fire, etc. The characteristics of the experimental device are that the related tests can be carried out under the conditions of practical application, which is helpful to deepen the students’ understanding of MOSFET, the diode related electrical characteristics and the solid-state circuit breakers based on power electronic devices so as to improve the students’ ability to use the professional knowledge comprehensively.

solid-state circuit breaker; experimental device; MOSFET; electrical characteristics

TM561;G484

: A

: 1002-4956(2017)09-0076-06

2017-03-08修改日期:2017-05-19

2015年北京高等學(xué)校教育教學(xué)改革項(xiàng)目“煤礦機(jī)電類本科專業(yè)虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)”(2015-ms120)

盧其威(1976—),男,河北石家莊,博士,副教授,從事電力電子與電力傳動、電氣安全等領(lǐng)域的教學(xué)與研究.

E-mail:lqw@cumtb.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.020