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

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(lèi)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(chēng)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摹Ｒ訣為電壓參考點(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。

[1] 蘭海,劉長(zhǎng)慶,曹融，等.船舶交直流混合電力系統(tǒng)短路計(jì)算與仿真[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào),2016,28(2):61-68.

[2] 馬偉明,胡安,袁立軍.十二相同步發(fā)電機(jī)整流系統(tǒng)直流側(cè)突然短路的研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 1999, 19(3): 31-36.

[3] 吳大立,雷津,徐正喜，等.船舶直流電力系統(tǒng)選擇性保護(hù)方法研究[J]. 艦船科學(xué)技術(shù), 2009, 31(12):76-79.

[4] 童正軍,李白,姜遠(yuǎn)志.一種艦船直流區(qū)域配電系統(tǒng)故障定位方法[J]. 船電技術(shù), 2014, 34(8):9-12.

[5] 金立軍,馬志瀛,董恩伏.高壓限流熔斷件穩(wěn)定溫升的計(jì)算和驗(yàn)證[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),1999,19(11):55-58.

[6] 王付勝,劉小寧.飽和鐵心型高溫超導(dǎo)故障限流器數(shù)學(xué)模型的分析與參數(shù)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2003,23(8):135-139.

[7] SHIMIZU H, YOKOMIZU Y, GOTO M, et al. A Study on Required Volume of Superconducting Element for Flux Flow Resistance Type Fault Current Limiter[J]. IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 2003, 13(2):2052-2055.

[8] STRUMPLER R, SKINDH J J, GLATZ-REICHENBACH J, et al. Novel Edium Voltage Fault Current Limner Based on Polymer PTC Resistors[J]. IEEE Trans on Power Delivery, 1999, 14(2): 425-430.

[9] 莊勁武,張曉鋒,楊鋒,等.船舶直流電網(wǎng)短路限流裝置的設(shè)計(jì)與分析[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2005, 25(20): 26-30.

[10] LUTZ J, DOBLER R, MARI J, et al. Short Circuit III in High Power IGBTs: Power Electronics and Applications[C]. European Conference on Power Electronics & Applications, 2009：1-8.

[11] 劉革菊. 二代大功率IGBT短路保護(hù)和有源鉗位電路設(shè)計(jì)[J]. 山西電子技術(shù), 2013(1):20-23.