（1.新型功率半导体器件国家重点实验室 株洲湖南 412001；2.株洲中车时代电气股份有限公司 株洲湖南 412001）
摘要：本文介绍了一种为高压直流试验配电系统提供保护而开发的全固态高压直流断路器。结合IGBT在直流断路器中的应用特点对其工况进行了分析，并对IGBT功率损耗和结温进行了计算，散热进行了仿真。验证了通过增大IGBT栅极驱动电阻，增加IGBT关断时间对IGBT关断时电压尖峰的抑制效果。
关键词：直流断路器；IGBT；尖峰抑制
0.引言
随着直流电力系统在高压直流输配电、新能源并网、船舶驱动、轨道交通等领域的应用日益广泛，高压直流断路器作为承载、开断直流电力系统工作电流以及各种故障电流的关键控制和保护设备，可有效的提高直流输配电系统的可靠性、稳定性和灵活性，目前已经成为制约柔性直流输配电网络工程应用的瓶颈之一[1-2]。目前，高压直流断路器主要分为三种，分别是机械式高压直流断路器、全固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器。
机械式高压直流断路器采用机械开关来切断高压直流电流，开通时运行稳定，通态损耗小，可关断电流能力高，但是由于直流电不存在自然过零点，机械开关关断时会产生剧烈拉弧，灭弧困难，为了强制灭弧，需要引入震荡换流回路和灭弧室，且响应时间较长，无法快速关断，机械开关电磁触头寿命也有限。全固态高压直流断路器采用全控型器件（GTO、IGBT、IGCT等）来实现高压直流系统的开通和关断，关断时间短且不会产生拉弧，安全可靠寿命长。通态损耗比机械式开关高，关断性能优势明显，不存在灭弧问题。混合式高压直流断路器则结合了机械开关和电力电子器件，采用自然换流或者强迫换流的方式实现电路关断，具有通态损耗小和无拉弧的优点，相应的设备复杂，体积较大，控制困难，成本较高[3-4]。
全固态直流断路器相对于机械式直流断路器关断优势十分明显，电路结构和控制相比混合式直流断路器又简单很多，成本也更为低廉。本文采用绝缘栅双极性晶体管（IGBT）来作为主要开关器件，设计了一种全固态高压直流断路器，用于高压直流试验配电系统保护。
1.试验系统电路及断路器拓扑
试验系统的主电路拓扑如图1所示。
图1 试验系统主电路
当直流断路器导通之后，系统主电路导通，高压直流试验系统为3组被试模块提供直流电源输入。当被测模块试验完成，或者直流断路器接收到故障信号时，直流断路器关断，同时CHOP模块导通，对被测模块进行保护，当被测模块放电完成之后，CHOP模块自然关断，被测模块可进行更换，进行下一组的试验，或者对模块进行故障排查。
直流断路器的拓扑电路如图2所示。直流断路器可双向开通关断。当直流断路器需要正向导通时，IGBT驱动接收到高电平信号，在IGBT门极与发射极之间形成正向导通电压，IGBT（T1、T2）开通，电流通过二极管D1和并联的IGBT（T1、T2）以及二极管D4，电流由1点流向2点。当试验系统完成试验，或者出现故障，直流断路器需要关断时，IGBT驱动接收到低电平信号，IGBT模块门极与发射极之间形成反向截止电压，IGBT（T1、T2）关断。由于四只二极管，D1/D2，D3/D4两两反向，电流截止。
直流断路器作为直流电路系统的保护器件和开关器件，其IGBT应用较为特殊。由于直流断路器中IGBT器件的开关频率非常小，几乎为零，所以可以通过大幅增加IGBT关断时间，来减小电流变化率，从而抑制电压尖峰。IGBT的开通和关断是通过对栅极电容的充放电实现的，所以栅极电阻RG对IGBT的开关速度有重要影响[7-8]。增大栅极电阻RG，栅极电容的充放电速度减慢，IGBT的开通和关断时间就会增加，开通和关断的能耗也会增大。减少栅极电阻RG，栅极电容的充放电速度加快，IGBT的开通和关断时间就会减小，开通和关断的能耗也会减小。由于直流断路器中IGBT器件的开关频率非常低，所以通过增加IGBT栅极电阻RG产生的IGBT开关损耗对断路器几乎没有影响，而增加了IGBT的开关时间，降低了电流变化率di/dt，可以有效的抑制由主电路杂散电感产生的电压尖峰。
图4将IGBT栅极驱动电阻RG由原来的6Ω增加到600Ω后的Vce测试波形对比，从图中可以看出，其关断时的电压尖峰得到了明显抑制，且关断时间低于100μs，远低于高压直流试验系统2ms的响应时间要求。
在直流断路器IGBT的应用中，考虑到其应用的特殊性，可以通过增大栅极电阻的方式有效的抑制IGBT关断时主电路杂散电感产生的电压尖峰，相较于传统IGBT工程应用当中增加吸收回路，更为经济有效。
5.断路器结构
直流断路器的整体三维结构如图5所示，分别包括底层散热器，IGBT及二极管模块等功率器件，叠层母排，以及上层的驱动控制盒。叠层母排为4层4极结构，通过使用叠层母排，可以提高IGBT并联的均流效果，同时可以降低主电路的杂散电感，对断路器IGBT关断时电压尖峰的抑制也有帮助。
IGBT驱动板、24V控制电源及脉冲控制板均安装在驱动控制盒内，为IGBT和二极管模块提供短路、过流、过压及温度保护。
图5 直流断路器三维模型视图
6.总结
本文结合一款为高压直流试验配电系统提供保护的全固态直流断路器的研制，结合其应用特点，对IGBT的功率损耗以及散热温升进行了分析，论证了其设计可靠性。并通过增大IGBT驱动栅极电阻，增加其开关时间的方法对断路器关断时的电压尖峰进行抑制，省去了吸收回路，更加经济可靠。
参考文献：
[1]DASTGEER F，KALM A.Efficiency.Comparison of DC and AC Distribution Systems for Distributed Generation [C]//Power Engineering Conference，2009：1-5.
[2]张弛.高压直流断路器及其关键技术[J].浙江大学硕士论文；2014-01-01.
[3]刘路灰，叶志浩，付立军 等.快速直流断路器研究现状与展望[J].中国电机工程学报；2017，2（04）.966-977.
[4]魏晓光，高冲，罗湘，等.柔性直流输电网用新型高压直流断路器设计方案[J].电力系统自动化.2013，08（15）：96-101.
[5]翟龙，陈燕平，蒋云富等.兆瓦级风电功率组件的IGBT吸收电容设计[J].大功率变流技术；2016（04）：42-45.
[6]姜栋栋，王烨，卢峰等.IGBT过电压产生机理分析及RC缓冲回路的设计[J].电力科学与工程；2011，4（04）：23-29.
[7]许鹏，陈彦，万超群，等.一种基于IGBT的金属钽加热用大电流直流断路器的研制[J].大功率变流技术；2015（01）：52-55.
[8]王可恕.IGBT的栅极驱动[J].国外电子元器件.1996，5（05）：34-38.
作者简介：
时海定：（1988-），男，汉族，湖南省株洲市人，职务：组件开发工程师，职称：助理工程师，学历：大学本科，研究方向为IGBT组件的设计及应用。
论文作者:时海定,李保国,黄南,熊辉,李炘
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/14
标签：断路器论文; 栅极论文; 高压论文; 尖峰论文; 电路论文; 模块论文; 电流论文; 《电力设备》2017年第36期论文;