（中国核电工程有限公司华东分公司，314300）
摘要：随着人们生活水平的进步，电能的应用在人们日常生活中越来越重要，国家的电网系统也日趋完善。其中微型电网在国家的电网体系中有着不可忽视的作用，但随着微型电网的不断发展，就需要断路器满足更高的要求。而固态断路器由于其关断速度快、无电弧、智能化高等优点充分满足了微型电网的需求，本文从IGBT的特点展开论述，通过对IGBT关断过电压的机理进行分析，并设计了缓冲电路保证固态断路器的安全性。
关键词：重要；微型电网；断路器
引言：
IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是一种优良的半导体构件，由于其电压控制、饱和电压小、耐压高等特性常常被用来做电路的开关。应用于数十到数百伏的电压或者数十到数百安培的电流中。由于IGBT的特殊性，所以一般可以设计一种电路由计算机全程控制，并不需要设计机械按钮。IGBT是能源转化与输送的重要构件，俗称电力电子装备的“中央处理器”，其作为当前国家大力发展的产业，在电力输送、新能源研发等领域广泛应用。
一、IGBT关断过电压机理分析研究
IGBT是固态断路器最重要的构件，其质量的好坏决定着固态开关是否能正常运转，因此对IGBT关断过电压机理进行分析对于设备的正常运转具有重大的意义。IGBT的关断电路图如下图所示。
图中Ud为整个系统的总电压，Ls是整个电路中的电感，Uce是晶体管两端的电压，i为IGBT关断时的电流。当进行关断操作时，电流i的数值渐渐变小最终过渡到0，由于进行IGBT关断的过程非常迅速，造成单位时间内电流的变化较大，即电流变化率较大，又因为固态开关电路中存在一个电感构件，所以电路中将会产生一个新的电感电压UL，这样电路中就有了微弱的电流。晶体管两端的电压值的大小主要取决于单位时间内电流变化的快慢和Ls电感值的大小，而决定电流变化率的关键因素是关断瞬时的电流和关断时的速度。IBGT用于固态开关时，流过开关的电流一般较大，而且关断的速度极快，这样使得电流变化率较大。另外用固态断路器的电路一般需要的导线的数量比较多，造成电感的数值比较大，这样IBGT两端的电压Uce就更大了，因此在固态开关中应用IGBT时，会出现电压升高的现象。这种现象会影响IGBT的寿命，甚至直接造成其损坏，间接影响这个电路的正常运转。
二、对关断过电压中缓冲电路的研究
IGBT在固态开关应用时，会出现电压过高的问题，可以设置一种缓冲电路来抑制这种现象的发生。缓冲电路又叫做吸收电路，它可以改变晶体管瞬间的工作状态，控制单位时间内电流变化过快的问题，这样可以有效地解决IGBT两端电压过高的现象，从而促进整个设备的正常运行。IGBT中经常使用的缓冲电路如下图所示。
图中（a）为只有电容的缓冲电路，这种电路一般能够很有效地解决电压过高的问题，但是其在通电时，电路中的电流过大，可能会影响IGBT的正常使用，另外作为吸收电压的电路，功率过高也会影响线路中的电感。
图中（b）在缓冲电路中加入了一个电阻R，电阻可以有效地解决电流过高的问题，同时还抑制了电容与杂线电感互相震荡的现象。但是此电路也存在缺点，由于电阻的存在导致电流变小影响了关断过电源的吸收率。
图（c）又在图（b）的基础上增加了一个二极管，这种缓冲电路结合了以上两种的优点，在应用时，由于二极管的接入控制了电流的大小，促进吸收过电压的效率，又避免了电路中电容与杂线电感相互震荡的现象。
通过以上论述，我们可以知道图（c）所示的缓冲电路比其它两种缓冲电路更加具有优势，更适合IGBT在固态断路器中的应用。这种电路既能吸收过量的电压，又控制了电路中的电流，有利于IGBT的关断，同时这种电路由于二极管的存在消除了缓冲电路系统与主电路系统之间的影响，更加有利于设备的正常运转。
缓冲电路的设置有效解决了IGBT在固态断路器中关断时存在的电压过高的问题，同时为了保证固态开关的正常使用，还需要在IGBT两端并联一个压敏电阻，控制电压变化过快的问题。
三、研究电路中杂线电感的存在对关断过电压的影响
由于电路中杂线电感的存在，IGBT的关断的电路图如下图所示。图中主干路的电流为i1，IGBT所在电路的电流为i2，缓冲电路所在线路的电流为i3,，压敏电阻所在的线路的电流为i4。当IGBT关断时，i2的电流迅速较小，使得流过缓冲电路的电流i3逐渐升高，这个过程就相当于电流实现了转移，而因为缓冲电路中电感Ln的存在影响了转移电流i3的变化，会造成主干路中电流i1的显著变化。
通过前面的叙述我们可以知道主干路中的电感Ls两端会产生过量的电压，IGBT在关断的瞬间也会产生一个电压，由于这个电压只产生在一瞬间，甚至压敏电阻不能起到作用，这时候如果支路中的电感Ln过大，就会造成电流转换的效率降低，IGBT两端的瞬时电压可能就会造成IGBT的损坏。当IGBT彻底关断后，缓冲电路中的电流逐渐增大达到峰值，电容C两端的电压也升高，当电压到达压敏电阻电压的峰值时，压敏电阻瞬间放电，以此过量电压被抵消了。综上所述，IGBT在关断过电压时需要注意两个峰值，其中一个电压的峰值是由于支路中电感Ln的存在导致的，这个电压存在的时间很短暂，压敏电阻刚刚反应就结束了，不能吸收；另一个峰值是电容充电完成后产生的，这个电压持续时间较长，压敏电阻可以充分吸收。因此，在IGBT关断过程中，要特别注意第一个峰值，这就需要综合考虑多方面的因素减小支路中的电感Ln。
结束语
随着国家电网系统的逐渐完善，微网系统对断路器的要求也越来越高，传统的电路器逐渐被以IGBT为构件的固态断路器所取代，固态断路器优势很大，但在系统关断时还存在着电压值过高的问题。本篇文章从关断过电压的机理展开分析，给出了三种保护过压现象的缓冲电路，最后结合支路中杂散电感对电压的影响，综合分析得出了缓冲电路配合压敏电阻这一保护IGBT的最优方案。
参考文献
[1]杨媛,文阳,李国玉.大功率IGBT模块及驱动电路综述[J].高电压技术,2018,44(10):3207-3220.
[2]陈俊,万超群,陈彦,黎小林.大功率压接式IGBT及其在脉冲强磁场发生器中的应用[J].大功率变流技术,2017(03):59-62
论文作者:胡寅 黄晓青
论文发表刊物:《知识-力量》2019年5月下《知识-力量》2019年5月下
论文发表时间:2019/3/7
标签：电路论文; 电压论文; 电流论文; 过电压论文; 电感论文; 固态论文; 断路器论文; 《知识-力量》2019年5月下《知识-力量》2019年5月下论文;