直流断路器工况中IGBT的关断特性测试与分析

引言

柔性直流输电技术为大规模可再生能源的接入提供了有效解决方案,是目前较为先进的输电技术。由于柔性直流输电系统的弱阻尼特性,单独依靠换流器无法有效切除故障,需要具有快速分断能力的直流断路器实现故障的隔离与清除。

绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistors,IGBT）具有良好的关断特性,是直流断路器实现故障电流关断所采用的核心器件。IGBT的关断特性对于断路器的性能有着重要影响,而目前对此相关研究尚不充分。

在上述背景下,本文分析了直流断路器用IGBT的工作特征,搭建了器件动态特性测试系统,针对直流断路器应用工况,对IGBT进行大电流关断测试,并基于实测数据对器件工作特性进行分析,对直流断路器工况中的IGBT应用做出指导。

1直流断路器用IGBT工作特征分析

直流断路器工况对于IGBT而言是一个相对特殊的应用工况。断路器用IGBT往往需要关断上升时间为毫秒级别且峰值为额定值数倍的大电流,且一般只在柔性直流电网中断路器进行整机分断时工作,无需短时间内进行周期性开关。断路器用IGBT工作特征如图1所示。

如图1所示,直流断路器需要IGBT的大电流关断能力,同时IGBT关断大电流时电流下降速率较快,在杂散电感作用下,较快的电流变化率往往带来较高的电压过冲,考验着器件及其结构的绝缘能力。搭建相关测试系统并进行试验测试是获取器件关断特性的必要方法。

2测试系统搭建

为使测试贴合直流断路器用IGBT的实际工况,在测试中用电容器与一感性负载配合,通过电路的零输入响应来产生测试电流。测试电路拓扑结构如图2所示,其中C为电容器,L为电抗器,二极管D在被测IGBT进入关断过程后为感性负载提供电流通路,IGBT为被测器件,D1为器件自带的反并联二极管。试验前给电容器C预充电,然后触发被测器件,电流流经感性负载L并在被测器件中上升,经预定延迟后向被测器件施加关断信号。目前千安级别的IGBT均是由数十个小额定电流值的IGBT芯片并联而成,芯片的关断特性显著影响器件的关断行为。现选取英飞凌公司由少量IGBT芯片组成的FF100R12RT4型号器件(图3）进行测试研究,其额定电流值为100A,额定电压值为1.2kV。

3测试结果

如前文所述,断路器用IGBT往往需要关断上升时间为毫秒级别且峰值为额定值数倍的大电流,故对被测器件分别进行额定值之内及明显超出额定值的电流进行关断试验,以便比较分析。测试波形如图4所示。

图4IGBT分别关断额定值以下（第1组）及接近额定值3倍（第2组）的电流波形

4IGBT关断特性分析

4.1IGBT大电流关断能力分析

目前绝大多数商用IGBT数据手册中反向安全工作区给出的关断电流上限均是额定值的2倍。由图4可知,被测器件正常关断电流约为300A,即约3倍于额定值的大电流,未发生关断失效问题。部分原因可以被理解为:器件数据手册中给出的电D上限是考虑IGBT周期性开关工况的,而IGBT的单次关断能力往往更强。这也表明直D断路器工况中的器件安全工作电D上限仍需更深入认知。充分利用IGBT的大电D处理能力,对于兼顾直D断路器的可靠性及经济性有着重要意义。

4.2IGBT关断电压冲击分析

由电路原理可知,电路结构的杂散电感与电D变化率的乘积为杂散电感两端电压,在IGBT关断过程中,一般体现为电压冲击,与电源或母线电压叠加后出现电压尖峰。对比图4可知,本文所研究的同一个被测器件IGBT,在相同的测试电路结构中,关断小于额定值的电D时产生的电压尖峰值在150～200V,而关断约3倍于额定值的电D时产生的电压尖峰值在400V以上。这表明较大的关断电D可能引起较高的电压冲击,在考察IGBT电D处理能力时也需要考虑器件的绝缘耐压要求。通过IGBT驱动参数的配置,降低器件关断过程中电D变化率,或降低相关电路结构的杂散电感值,均是可以考虑的降低关断电压冲击的方法。

5结语

本文分析了直D断路器用IGBT的工作特征,搭建了器件动态特性测试系统,针对直D断路器应用工况,对IGBT进行了大电D关断测试,并基于实测数据指出了直D断路器工况下IGBT的电D关断上限高于目前商用IGBT数据手册中给出的限值,同时提出了可以从优化驱动参数及降低杂散电感值等方面来降低IGBT的关断电压冲击,为直D断路器用IGBT的应用提供了参考。