基于IGBT器件的大功率高壓直流斷路器數(shù)字驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

曾進(jìn)輝，樊楊杰，何東，劉湘，廖曉斌

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.株洲福德軌道交通研究院，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備不斷滲透到各個(gè)領(lǐng)域，其中功率開(kāi)關(guān)管是電力電子裝置中的關(guān)鍵器件，絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)成功結(jié)合了MOS場(chǎng)效晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)與電力晶體管(power transistor，giant transistor，GTR)的耐壓高、載流大等特性，被廣泛運(yùn)用于軌道牽引、新能源發(fā)電、高電壓直流輸電等領(lǐng)域[1-4]。以IGBT作為驅(qū)動(dòng)的電力電子電路，將接收到的控制信號(hào)進(jìn)行處理，包括信號(hào)的隔離以及放大[5-7]，所以在高電壓大功率電路中，IGBT模塊對(duì)電力電子器件的性能具有重要意義[8-9]，驅(qū)動(dòng)電路是否正常運(yùn)行對(duì)模塊的工作狀態(tài)具有決定性作用。因此，選用IGBT作為本文研究所涉及的主功率器件。

針對(duì)在大功率高壓直流斷路器場(chǎng)合中出現(xiàn)過(guò)壓過(guò)流等不能及時(shí)檢測(cè)出故障并關(guān)斷保護(hù)斷路器等問(wèn)題，文獻(xiàn)[10-11]提出了一種采用輔助電流源的主動(dòng)?xùn)艠O控制方式。通過(guò)檢測(cè)發(fā)射極電流和集射極電壓判斷IGBT的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，在特定階段向柵極注入或抽取電流，在不影響開(kāi)關(guān)速度的前提下抑制電流、電壓過(guò)沖，但硬件電路復(fù)雜，難以實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[12]采用復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)，在器件開(kāi)關(guān)過(guò)程的不同階段采用不同的驅(qū)動(dòng)電壓，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流、電壓過(guò)沖的抑制。這種方法控制靈活，但是需要針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行編程，無(wú)法大規(guī)模應(yīng)用。文獻(xiàn)[13]利用數(shù)字驅(qū)動(dòng)IC精確調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，優(yōu)化驅(qū)動(dòng)波形來(lái)提升功率器件的開(kāi)關(guān)性能，可以在降低總開(kāi)關(guān)損耗的同時(shí)抑制浪涌電壓。但是數(shù)字化控制方法需要使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對(duì)開(kāi)關(guān)變量進(jìn)行采樣，成本高，還需要高性能控制器對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。此外，A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理過(guò)程造成的高延遲也會(huì)影響控制效果的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[14]提出在器件開(kāi)關(guān)的特定階段同時(shí)改變柵極電阻并向柵極注入電流，以達(dá)到控制電流、電壓過(guò)沖和振蕩的目的，這種方法要同時(shí)調(diào)整兩個(gè)變量，控制復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難。閉環(huán)驅(qū)動(dòng)電路主要是通過(guò)IC、UCE或UGe閉環(huán)負(fù)反饋對(duì)IGBT的開(kāi)通關(guān)斷進(jìn)行控制。文獻(xiàn)[15-17]提出了一種基于UCE閉環(huán)反饋控制驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)硬件電路建立UCE的閉環(huán)反饋回路，實(shí)時(shí)地將UCE與預(yù)先給定值UCE進(jìn)行比較，通過(guò)高速運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中UCE的控制。同樣，文獻(xiàn)[18]基于這種方法對(duì)IC也進(jìn)行了有效調(diào)節(jié)，在IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程中對(duì)IC與UCE同時(shí)進(jìn)行雙閉環(huán)反饋控制，首先設(shè)置二者的參考值，在IGBT開(kāi)通和關(guān)斷瞬間需要對(duì)IC與UCE的閾值進(jìn)行快速精確地切換。但是IC與UCE之間的相互影響及IGBT對(duì)于工況的依賴，導(dǎo)致利用模擬式驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)電流、電壓雙閉環(huán)反饋存在較大的難度。鑒于模擬電路實(shí)現(xiàn)UCE與IC的雙閉環(huán)反饋控制難度大，文獻(xiàn)[19]提出利用數(shù)字化閉環(huán)反饋的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)IC、UCE的控制，反饋信號(hào)的測(cè)量電路由無(wú)源器件組成，利用A/D轉(zhuǎn)換芯片對(duì)模擬信號(hào)(IC、UCE、UGe)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給數(shù)字處理器進(jìn)行算法分析，然后給出相應(yīng)的IG來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程的控制。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于采用數(shù)字化可編程處理器，控制方便靈活，系統(tǒng)集成度大大提高，但是對(duì)于大功率IGBT，集射極UCE的電壓跨度大，對(duì)于傳感器及A/D電路精確度高，而參考電壓的產(chǎn)生復(fù)雜，難以提高可靠性。

為克服以上這些方法的種種不足，本文提出一種新的主動(dòng)?xùn)艠O驅(qū)動(dòng)電路，主要原理為在開(kāi)關(guān)過(guò)程中的高di/dt和高dv/dt階段減小柵極驅(qū)動(dòng)電壓，從而減小電流和電壓的變化率，有效抑制電流、電壓過(guò)沖。采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(field programmble gate array，F(xiàn)PGA)實(shí)現(xiàn)門(mén)極控制，可利用較簡(jiǎn)潔的電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜模擬電路才能完成的有源門(mén)極驅(qū)動(dòng)，并使斷路器從故障發(fā)生到IGBT組件完全關(guān)斷的時(shí)間更短，優(yōu)化IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程。同時(shí)在斷路器進(jìn)行開(kāi)關(guān)斷之前，驅(qū)動(dòng)會(huì)進(jìn)行自檢，實(shí)驗(yàn)過(guò)程包含溫度檢測(cè)，可提高整個(gè)斷路器的安全性、可靠性、同步性。本文設(shè)計(jì)基于IGBT器件的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器，并運(yùn)用在由3并6串共18只IGBT組成的10 kV/5 kA高壓直流固態(tài)斷路器中?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)外部控制命令和工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)IGBT組件快速開(kāi)通斷關(guān)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行部件等環(huán)節(jié)的快速響應(yīng)。

1 IGBT驅(qū)動(dòng)器整體結(jié)構(gòu)及控制策略

控制系統(tǒng)由核心控制器、輔助電源、IGBT驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、光纖、電壓電流檢測(cè)機(jī)構(gòu)、溫度檢測(cè)機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動(dòng)器控制系統(tǒng)拓?fù)鋱D

核心控制器由FPGA+AD架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)包含1塊核心控制板和6塊驅(qū)動(dòng)板。各環(huán)節(jié)從系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性、同步性出發(fā)，根據(jù)功能需求完成硬件設(shè)計(jì)，完成對(duì)外交互及內(nèi)部邏輯判斷。作為自檢程序中的主機(jī)，發(fā)起自檢請(qǐng)求完成開(kāi)機(jī)/開(kāi)關(guān)動(dòng)作前的系統(tǒng)自檢，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信功能，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)斷路器內(nèi)部各模塊(器件)工作狀態(tài)、IGBT及繼電器等器件驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生及反饋信號(hào)處理，判斷斷路器是否工作在短路狀態(tài)，并完成快速保護(hù)。硬件平臺(tái)包含兩類AD，一路用于關(guān)鍵信號(hào)如回路電流的快速監(jiān)測(cè)，一路用于慢控信號(hào)(溫度、電壓、濕度)監(jiān)測(cè)。

1.1 驅(qū)動(dòng)器采樣結(jié)構(gòu)

斷路器額定工作直流電壓為10 kV，在關(guān)斷瞬間電壓將上升至20 kV。為了整個(gè)量程都能準(zhǔn)確測(cè)量，采樣電路采樣范圍需要為5～25 kV，隔離電壓在30 kV以上。斷路器額定工作電流為5 kA，在出現(xiàn)故障時(shí)，電流將升至20 kA以上。為了在整個(gè)量程內(nèi)均能準(zhǔn)確地測(cè)量出電流，選擇霍爾傳感器，按1～20 kA的范圍考慮電路設(shè)計(jì)，如圖2和圖3所示。

圖2 檢測(cè)IGBT的UCE端

圖3 檢測(cè)IGBT的UCG端

控制板觸發(fā)輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個(gè)并聯(lián)組件的觸發(fā)板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號(hào)和控制電路控制，因此，驅(qū)動(dòng)硬件功率較大，在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)需重點(diǎn)考慮。

系統(tǒng)包含6塊IGBT觸發(fā)板，每塊驅(qū)動(dòng)3只并聯(lián)的IGBT。3只并聯(lián)IGBT為一個(gè)壓接件，觸發(fā)板就近安裝在壓接件上。為確保并聯(lián)的3只IGBT通斷的同時(shí)性，3只IGBT共用同一觸發(fā)電路。所以觸發(fā)電路的驅(qū)動(dòng)功率需按3只IGBT驅(qū)動(dòng)功率的總和來(lái)設(shè)計(jì)。同時(shí)，功率放大電路選用開(kāi)關(guān)速度較快的CMOS管。

為確保6塊觸發(fā)板同步性，控制板觸發(fā)輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個(gè)并聯(lián)組件的觸發(fā)板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號(hào)和控制電路控制，光纖選型、光電轉(zhuǎn)換、信號(hào)處理(CPLD)等電路元件盡量選用高速器件。另外，該觸發(fā)板應(yīng)具有過(guò)壓、過(guò)流檢測(cè)功能。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 觸發(fā)板拓?fù)鋱D

1.2 輔助電源結(jié)構(gòu)

為了給驅(qū)動(dòng)器的測(cè)試提供方法依據(jù)，使電源的測(cè)試能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行，設(shè)計(jì)具有隔離作用的DC/DC開(kāi)關(guān)電源，設(shè)計(jì)內(nèi)容包括輸入、輸出電壓范圍，穩(wěn)態(tài)電壓、頻率、相位誤差，輸入輸出多壓、欠壓及其恢復(fù)等，以及輸出為24 V/3 A和5 V/3 A輸出電路。

2 IGBT驅(qū)動(dòng)器軟件設(shè)計(jì)及控制保護(hù)策略

系統(tǒng)控制流程包含自檢系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩部分。

自檢系統(tǒng)是為確保觸發(fā)同步性和可靠性。在斷路器開(kāi)通前，系統(tǒng)以并聯(lián)組件為單位，自動(dòng)對(duì)光纖、收發(fā)電路、電源、觸發(fā)電路和IGBT并聯(lián)組件的實(shí)時(shí)性和可靠性進(jìn)行檢測(cè)。一旦檢測(cè)到某一組件故障，系統(tǒng)停止自檢，同時(shí)生成故障代碼并輸出故障指示。若自檢通過(guò)，控制中心同時(shí)對(duì)6個(gè)IGBT并聯(lián)組件發(fā)出開(kāi)通命令。電平由3.3 V信號(hào)轉(zhuǎn)換±15 V。正常工作時(shí)，PWM信號(hào)的每次邊沿跳變，F(xiàn)B信號(hào)會(huì)延遲約220 ns變?yōu)楦唠娖?無(wú)光)，大約持續(xù)700 ns來(lái)進(jìn)行狀態(tài)反饋。IGBT短路時(shí)，經(jīng)過(guò)設(shè)定的響應(yīng)時(shí)間后，F(xiàn)B信號(hào)變?yōu)楦唠娖?無(wú)光)，最多延遲4.8 μs(根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定，與響應(yīng)時(shí)間的和不大于10 μs)，此期間靠主控制器關(guān)斷IGBT。副邊電源或門(mén)極過(guò)載、短路時(shí)，F(xiàn)B信號(hào)至少維持500 μs的高電平(無(wú)光)狀態(tài)。副邊電源欠壓時(shí)，只有在恢復(fù)正常電壓后FB信號(hào)回到低電平(有光)狀態(tài)，正常工作時(shí)與短路時(shí)驅(qū)動(dòng)與反饋信號(hào)波形對(duì)比如圖5和圖6所示。

圖5 正常工作時(shí)驅(qū)動(dòng)與反饋信號(hào)波形

圖6 短路時(shí)驅(qū)動(dòng)與反饋信號(hào)波形

2.1 自檢系統(tǒng)及安全保護(hù)

2.1.1 自檢流程

在主回路高壓電源(DC10 kV)和控制電源(220 V)上電且控制系統(tǒng)收到開(kāi)機(jī)命令時(shí)，核心控制器對(duì)6個(gè)IGBT并聯(lián)組件依次進(jìn)行檢測(cè)。首先通過(guò)TX1光纖發(fā)送1路IGBT導(dǎo)通信號(hào)，其余5路光纖TX2—TX6關(guān)閉，IGBT1組件導(dǎo)通，時(shí)間為200 ms。在此期間，觸發(fā)板IGBT-DRV1通過(guò)光纖RX1反饋高電平，表示IGBT1并聯(lián)組件處于導(dǎo)通狀態(tài)；同時(shí)，觸發(fā)板自動(dòng)對(duì)IGBT1并聯(lián)組件中的3個(gè)G極信號(hào)和C、E之間的電壓進(jìn)行檢測(cè)，判斷IGBT1并聯(lián)組件的實(shí)際通斷情況。若有故障，觸發(fā)板IGBT-DRV1立即通過(guò)RX1光纖反饋一定長(zhǎng)度負(fù)脈沖，時(shí)間的長(zhǎng)短表征故障類型，核心控制器判斷RX1光纖負(fù)脈沖時(shí)間生成故障代碼，同時(shí)關(guān)閉6路觸發(fā)光纖TX1—TX6。若在100 ms內(nèi)驅(qū)動(dòng)板未反饋故障，核心控制器認(rèn)為IGBT1組件正常，關(guān)斷此組件一段時(shí)間后進(jìn)行下一個(gè)IGBT并聯(lián)組件檢測(cè)。6路IGBT并聯(lián)組件都檢測(cè)完畢后一段時(shí)間，控制中心同時(shí)點(diǎn)亮光纖TX1—TX6，同時(shí)觸發(fā)6路IGBT并聯(lián)組件，整個(gè)固態(tài)斷路器開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，如圖7所示。

圖7 光纖指示燈

2.1.2 自檢過(guò)程安全性保障

自檢流程在每次導(dǎo)通動(dòng)作前完成，此時(shí)系統(tǒng)兩端承受功率高壓10 kV，自檢過(guò)程為輪流導(dǎo)通IGBT組件，此過(guò)程中器件及系統(tǒng)的安全性尤為重要。

自檢前，6個(gè)IGBT并聯(lián)組件都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)DC10 kV由6個(gè)組件共同承擔(dān)，每個(gè)I組件承受的電壓為10 kV/6=1 666.7 V。IGBT選型時(shí)額定電壓為4 500 V，耐壓能力足夠。自檢時(shí)，6個(gè)IGBT輪流導(dǎo)通，且同一時(shí)刻僅導(dǎo)通1組，此時(shí)10 kV由另外5組承擔(dān)，每組承受電壓為10 kV/5=2 000 V，仍低于額定工作電壓。因此自檢方法可以在保證其他器件絕對(duì)安全的前提下，完成核心控制器、觸發(fā)電路、輔助電源和IGBT健康狀態(tài)的全面檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的信息交換。

2.1.3 自檢信號(hào)發(fā)送與反饋

自檢過(guò)程中，核心控制器作為主機(jī)，通過(guò)6根發(fā)送光纖先后發(fā)出檢測(cè)波形。光纖TX1首先發(fā)出一段200 ms的高電平，在此期間，IGBT-DRV1觸發(fā)板作為自檢從機(jī)，自動(dòng)對(duì)IGBT1并聯(lián)組件中的3個(gè)G極信號(hào)和C、E之間的電壓進(jìn)行檢測(cè)，判斷IGBT1并聯(lián)組件的通斷情況，并通過(guò)光纖RX1將組件健康狀態(tài)、IGBT電壓比較器反饋至核心控制器。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)收到自檢控制信號(hào)后，通過(guò)光纖將組件信息反饋至核心控制器，如圖8所示。若組件無(wú)故障，則持續(xù)反饋高電平，反之，則反饋不同脈沖寬度的負(fù)脈沖，脈沖長(zhǎng)度表征故障類型，反饋信號(hào)波形如圖9所示，故障類型對(duì)應(yīng)的脈沖寬度見(jiàn)表1。

圖8 自檢控制信號(hào)示意圖

圖9 自檢反饋信號(hào)示意圖

表1 故障類型判斷

2.2 運(yùn)行系統(tǒng)

運(yùn)行系統(tǒng)包含主程序和慢控程序兩大部分。其中，主程序完成斷路器通斷相關(guān)的直接邏輯判斷與控制，慢控程序完成上位機(jī)交互、輔助狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能，設(shè)計(jì)流程如圖10所示。

圖10 直流固態(tài)斷路器保護(hù)邏輯流程

主程序邏輯:正常工作時(shí)，控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)，如進(jìn)出端電壓、主回路電流等，并將實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋至上位機(jī)及外部狀態(tài)顯示燈。系統(tǒng)即時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)充電指令，指令到達(dá)且系統(tǒng)自檢通過(guò)后，系統(tǒng)根據(jù)輸入輸出端電壓差執(zhí)行預(yù)充電判斷，若壓差超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則導(dǎo)通預(yù)充電IGBT，直至壓差小于閾值后，關(guān)閉預(yù)充電IGBT，等待外部主開(kāi)關(guān)分合指令。開(kāi)通及關(guān)斷指令到達(dá)時(shí)，自檢通過(guò)，且預(yù)充電完畢或不需要預(yù)充電，系統(tǒng)導(dǎo)通主IGBT組件，并進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)的保護(hù)邏輯。保護(hù)邏輯包含三類保護(hù):反時(shí)限保護(hù)、速斷保護(hù)和瞬態(tài)保護(hù)，三類保護(hù)并行執(zhí)行，優(yōu)先級(jí)并列。

慢控程序邏輯:慢控程序主要完成的功能包括啟機(jī)時(shí)預(yù)設(shè)參數(shù)的存儲(chǔ)器讀取、外部交互、工作狀態(tài)查詢及保護(hù)中斷處理。

系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換分為快速AD和慢速AD兩類，其中，慢速AD放置在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，用于組件電壓采集及環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。電壓信息用于斷路器兩端壓差計(jì)算、IGBT組件的C、E、G極電壓檢測(cè)。雙通道快速AD用于斷路器進(jìn)出端電流采集，用于采集所有RC濾波處理。

1)電流保護(hù)閾值計(jì)算方法:

式中，I為實(shí)際電流值；CountI為12位數(shù)字量；RI為電流傳感器輸入電流采樣電阻；KI為運(yùn)放調(diào)理增益。

2)電壓保護(hù)閾值計(jì)算方法:

式中，V為實(shí)際電壓值；CountV為16位數(shù)字量；KV為運(yùn)放調(diào)理增益。

3)瞬態(tài)保護(hù)閾值計(jì)算方法:

式中，THΔ為電流瞬態(tài)保護(hù)閾值；CountI1、CountI2為相鄰2 μs內(nèi)電流采樣的16位數(shù)字量平均值。

4)反時(shí)限保護(hù)時(shí)間計(jì)算方法:

式中，T為反時(shí)限保護(hù)時(shí)間，μs；CountT為16位寄存器數(shù)字量，100為內(nèi)部計(jì)時(shí)器周期100 μs；P為IGBT可承受的最大過(guò)載功率；I為回路電流；R為等效導(dǎo)通內(nèi)阻；KT為修正系數(shù)。為簡(jiǎn)化軟件運(yùn)算量，保證響應(yīng)快速性，軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)采用分段式查表方法。

5)溫度計(jì)算方法:

式中，Temp為反實(shí)際溫度，℃；CountTemp為16位采集數(shù)字量；RT為溫度采樣電阻值；KR為所選熱敏電阻比例；KT為溫度采樣電路運(yùn)放調(diào)理增益。

3 實(shí)驗(yàn)及分析

通過(guò)搭建在10 kV/5 kA斷路器實(shí)物平臺(tái)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別進(jìn)行了功能、絕緣耐壓、串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流、溫升等實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)器的可行性及正確性。測(cè)試IGBT采用的是壓接型IGBT，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表2。其中，TC為環(huán)境溫度，tp為持續(xù)時(shí)間，VR為二極管阻斷電壓，Tvj為工作結(jié)溫。

表2 IGBT具體參數(shù)

3.1 功能實(shí)驗(yàn)

按實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境，利用電纜連接直流電源模塊輸出正極至斷路器一端，斷路器另一端連接至阻性負(fù)載正極，負(fù)載負(fù)極與直流源負(fù)極相連接。連接斷路器的通信接口至上位機(jī)PC(可通過(guò)外部的按鈕控制通斷)，220V AC電源至市電插座(系統(tǒng)增加UPS電源，保證控制電的不間斷)。斷路器控制直流電源模塊上電，上位機(jī)發(fā)送合閘指令(外部控制開(kāi)關(guān))。通過(guò)示波器檢測(cè)輸出負(fù)載端電壓來(lái)判斷斷路器是否導(dǎo)通，等于輸入直流源電壓則為導(dǎo)通，最后關(guān)閉直流電源(主回路電)。在斷路器上電狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)所有寄存器配置及回讀，對(duì)比驗(yàn)證正確性。采用直流源機(jī)電組負(fù)載組合，測(cè)試系統(tǒng)搭建如圖11所示，其中包括用調(diào)壓器整流輸出加電容作為直流源的直流電源模塊、上位機(jī)PC、24 V的LED報(bào)警燈。

圖11 功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理

3.2 絕緣耐壓實(shí)驗(yàn)

模擬斷路器額定工況，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖12所示，其中包括輸出380～6 000 V AC的可調(diào)變壓器，六脈波整流器，2并10串的5 000 μF/1 200 V的儲(chǔ)能裝置C1，4串50 kΩ/300 W的負(fù)載R1。經(jīng)可調(diào)變壓器調(diào)壓后，連接至不可控整流裝置，經(jīng)儲(chǔ)能電容后串接斷路器及負(fù)載。三相交流電經(jīng)整流器整流為直流，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室功率進(jìn)線為350 kV·A，故大電流實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要配備電容器組進(jìn)行瞬時(shí)能量?jī)?chǔ)備，電容器組包含1 200 V/5 000 μF電容20個(gè)(2個(gè)并聯(lián)后串一起，組成10串，可滿足直流母線電壓10 kV)。

圖12 開(kāi)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn)平臺(tái)原理

3.3 IGBT并聯(lián)均流實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證IGBT驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)6組IGBT開(kāi)關(guān)斷的同步性，從確保安全角度考慮，取1組3個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)先進(jìn)行小電流實(shí)驗(yàn)，測(cè)試其均流情況及開(kāi)關(guān)的同步情況。先給斷路器預(yù)充電，設(shè)置IGBT電流閾值為450 A，由圖13可知，通道1為檢測(cè)斷路器兩端母線電壓，通道1—3為檢測(cè)3個(gè)并聯(lián)的IGBT電流。在斷路器在開(kāi)通過(guò)程中，檢查到通道1電流為167.91 A，通道2電流為151.5 A，通道3電流為150 A，電流超過(guò)預(yù)設(shè)的閾值后，驅(qū)動(dòng)器僅用33.14 μs實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷，通過(guò)3個(gè)通道1—3電流可知，均流度大于90%，忽略采樣及實(shí)驗(yàn)過(guò)程損耗等因素誤差，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)均流功能。

圖13 IGBT并聯(lián)均流波形圖

3.4 IGBT串聯(lián)均壓實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證IGBT驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)6組IGBT開(kāi)關(guān)斷的同步性，從安全角度考慮，先以高電壓低電流的形式，以1 kV為一個(gè)等級(jí)進(jìn)行測(cè)試，確保實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性。其中，IGBT組有6組，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備有限，先檢測(cè)4組，再檢測(cè)后2組與前2組進(jìn)行對(duì)比。如圖14和圖15所示，采樣誤差為±60 V。驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到4組IGBT開(kāi)關(guān)兩端電壓超過(guò)閾值后，僅同時(shí)用840 ns實(shí)現(xiàn)了關(guān)斷，可看出6組IGBT在閾值設(shè)置為1 kV時(shí)，超過(guò)閾值時(shí)實(shí)現(xiàn)了同步性關(guān)斷過(guò)程。

圖14 電壓1 kV前4組IGBT波形圖

圖15 電壓1 kV另2組與前2組IGBT對(duì)比波形圖

當(dāng)斷路器在做最大電壓電流等級(jí)實(shí)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)母線電壓電流超過(guò)設(shè)置的閾值(10 kV/5 kA，即圖中a點(diǎn))后，驅(qū)動(dòng)器檢測(cè)到斷開(kāi)斷路器點(diǎn)b，整個(gè)過(guò)程反應(yīng)時(shí)間僅6.4 μs，滿足要求，其電壓尖峰也在IGBT規(guī)格書(shū)安全范圍之內(nèi)，如圖16和圖17所示。

圖16 驅(qū)動(dòng)器反應(yīng)時(shí)間

圖17 斷路器電壓電流波形圖

3.5 溫升實(shí)驗(yàn)

水冷裝置水流量設(shè)置為單管2.5 m3/h，壓力0.3 MPa；示波器的隔離電壓探頭分別連接斷路器X1、X2兩端、主回路IGBT的CE兩端，電流探頭監(jiān)測(cè)斷路器主回路銅排，并調(diào)至合適比例，保證波形完整清晰。在斷路器內(nèi)部增加多個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)溫度探頭及溫度試紙，其中，溫度探頭用來(lái)測(cè)試各節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)溫度，溫度試紙用于監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的最高溫度。斷路器上控制電源，保持?jǐn)嗦菲鳛閿嚅_(kāi)狀態(tài)。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜合閘后，監(jiān)測(cè)斷路器X1、X2端電壓是否為額定工作電壓100 V，按發(fā)送導(dǎo)通指令，記錄斷路器X1、X2端及IGBT的CE極電壓波形、回路電流波形，監(jiān)測(cè)斷路器進(jìn)出水口溫度并記錄，保持?jǐn)嗦菲鲗?dǎo)通，持續(xù)工作24 h，每隔10 min記錄各參數(shù)。當(dāng)開(kāi)關(guān)柜分閘后，采用外部泄放電阻將電容能量耗盡，監(jiān)測(cè)斷路器X1、X2端電壓是否為降至0 V后，關(guān)斷斷路器控制電源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖18所示。

圖18 溫升實(shí)驗(yàn)波形

實(shí)驗(yàn)過(guò)程持續(xù)240 min，從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始10 min后記錄溫度；IGBT與二極管溫升效果基本一致，最高絕對(duì)溫度86℃，相對(duì)于外部環(huán)境的相對(duì)溫升約51℃，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；散熱器與IGBT及二極管溫差基本恒定，約45℃。二極管溫度高于IGBT溫度的原因是器件封裝不同，二極管電流通路包含2對(duì)進(jìn)出線銅排，IGBT包含3對(duì)進(jìn)出線銅排，二極管單銅排上承受的電流大于IGBT單銅排電流。同時(shí)，IGBT封裝尺寸相對(duì)于二極管增大約1/3，散熱面積也相應(yīng)增加，故IGBT在節(jié)壓相對(duì)較高的情況下，實(shí)測(cè)溫升反而小于二極管溫升。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)數(shù)字驅(qū)動(dòng)器目前存在的優(yōu)勢(shì)，利用FPGA控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)開(kāi)通和關(guān)斷多級(jí)控制的數(shù)字驅(qū)動(dòng)器的整體設(shè)計(jì)、各部分功能，并制作了驅(qū)動(dòng)器實(shí)物用于驗(yàn)證硬件功能的測(cè)試。在10 kV/5 kA的高壓直流斷路器中，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行設(shè)置IGBT電壓電流閾值實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)波形得出以下結(jié)論:

1)滿足各開(kāi)關(guān)的同步性和關(guān)斷的及時(shí)性，證明該IGBT數(shù)字驅(qū)動(dòng)器在大功率應(yīng)用場(chǎng)合中具有能夠快速關(guān)斷的功能，IGBT開(kāi)關(guān)過(guò)程得到優(yōu)化。

2)通過(guò)1個(gè)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)3個(gè)IGBT開(kāi)關(guān)的方法，同時(shí)保障了18個(gè)IGBT的多個(gè)開(kāi)關(guān)斷路器的安全性、可靠性、同步性。

3)該方案結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，易于實(shí)現(xiàn)多個(gè)IGBT組的串并聯(lián)、多路故障檢測(cè)，易于實(shí)現(xiàn)更高電壓等級(jí)的直流斷路器的應(yīng)用。