直流斷路器工況中IGBT的關(guān)斷特性測試與分析

引言

柔性直流輸電技術(shù)為大規(guī)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(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(duì)于斷路器的性能有著重要影響,而目前對(duì)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(duì)直流斷路器應(yīng)用工況,對(duì)IGBT進(jìn)行大電流關(guān)斷測試,并基于實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)器件工作特性進(jìn)行分析,對(duì)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lGBT工作特征分析

直流斷路器工況對(duì)于IGBT而言是一個(gè)相對(duì)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(jí)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(jí)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(jí)別且峰值為額定值數(shù)倍的大電流,故對(duì)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。

4lGBT關(guān)斷特性分析

4.1lGBT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(cè)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(cè)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(duì)于兼顧直流斷路器的可靠性及經(jīng)濟(jì)性有著重要意義。

4.2lGBT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(duì)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/,而關(guān)斷約V倍于額定值的電流時(shí)產(chǎn)生的電壓尖峰值在400/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(duì)直流斷路器應(yīng)用工況,對(duì)IGBT進(jìn)行了大電流關(guān)斷測試,并基于實(shí)測數(shù)據(jù)指出了直流斷路器工況下IGBT的電流關(guān)斷上限高于目前商用IGBT數(shù)據(jù)手冊(cè)中給出的限值,同時(shí)提出了可以從優(yōu)化驅(qū)動(dòng)參數(shù)及降低雜散電感值等方面來降低IGBT的關(guān)斷電壓沖擊,為直流斷路器用IGBT的應(yīng)用提供了參考。