（电力电子与电力传动专业论文）基于混合式断路器的igbt驱动保护与串并联技术研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t an e wh y b r i dp o w e re l e c t r o n i c sb r e a k e ri sa n m p o s e do fat r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lb r e a k e ra n das e to f p o w e re l e c t r o n i c sc o m m u t a t i o nd e v i c e t h i sk i n do fb r e a k e ri m p r o v e st h es w i t c h i n gs p e e do ft h em e c h a n i c a l b r e a k e ra n dp r o l o n g si t sl i f e t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e st h et e c h n o l o g yo f t h ep o w e re l e c t r o n i c sc o m m u t a t i o n d e v i c e ，i n c l u d i n gd r i v e ，p r o t e c t i o n ，s e r i e sa n dp a r a l l e lc o n n e c t i o no f t h ei n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ( 1 g b t ) t h i sp a p e rc o n t a i n sf i v ec h a p t e r s 。 i nc h a p t e ro n e ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h eb r e a k e ra r ef i r s t l yi n t r o d u c e d a n dt h e nt h e a c t u a l i t i e so f t h e t o p i ca r ed e s c r i b e da n dt h ec o n t e n t so f t h i sp a p e ra r eg i v e n c h a p t e rt w om a i n l yi n t r o d u c e st h eb r e a k e ra n di t sk e yc o m p o n e n t s t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l e o ft h eb r e a k e ra r eg i v e na n dt h eb a s i ct e c l m o l o g i e so fi g b ta r ed i s c u s s e d ，w h i c hi n c l u d et h es t r u c t u r e ，t h e p r i n c i p l e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h es e c u r i t yo p e r a t i o na r e ae t e t h et e c h n o l o g yo fd r i v ea n dp r o t e c t i o ni si n t r o d u c e di nc h a p t e rt h r e e t h eb a s i cc o n d i t i o n sa n ds p e c i a l r e q u i r e m e n t so fi g b td r i v ec i r c u i ta r ep r e s e n t e d i ti n t r o d u c e ss o m ea m e l i o r a t i o n sm a d eo ne x b 8 4 1a n d m 5 7 9 6 2 a la c c o r d i n gt ot h eh y b r i db r e a k e r p a r t i c u l a ri n t r o d u c t i o no nan e wt y p eo fs n u b b e ri sg i v e n ，a n d t h e nas e l f l o c k e dc i r c u i td e s i g n e db yc p l dw h i c ho p e r a t e sd u r i n gf a u l tc u r r e n ti sd e s c r i b e d i nc h a p t e rf o u r , t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ev o l t a g eb a l a n c i n gi ns e r i e sc o n n e c t i o no fi g b t sa r ep r e s e n t e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t t h e ns o m em e a s u r e sa r et a k e na g a i n s tt h ev o l t a g ei m b a l a n c e m e n t ，a n da c l o s e dl o o pv o l t a g eb a l a n c i n gc o n t r o ls c h e m ei sa n a l y z e da n ds i m u l a t e du n d e ra ca n dd cc o n d i t i o n s i nc h a p t e rf i v e ，t h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ee u r r e n tb a l a n c i n gi np a r a l l e lc o n n e c t i o no f l g b t sa r ep r e s e n t e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s a f t e rt h a ts o m ee f f i c i e n ts c h e m e s a r ei n t r o d u c e d t h e nag a t ed r i v e s i g n a lc o m p e n s a t i o nc i r c u i ti sp r e s e n t e da n di t sw o r k i n gp r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o nr e s u l t sa r eg i v e n t h es u m m a r i z a t i o no f t h i sp a p e ra n dt h ef o r e g r o u n do f t h et o p i ca r ed e s c r i b e di nc h a p t e rs i x k e y w o r d s ：h y b r i dp o w e re l e c t r o n i c sb r e a k e r , i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rn , a n s i s t o r ( i g b t ) ，d r i v ec i r c u i t ，s n u b b e r , v o l t a g eb a l a n c i n gi ns e r i e s - c o n n e c t i o n ，c u r r e n tb a l a n c i n gi np a r a l l e l - c o n n e c t i o n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：日期：塑! ：! ： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 e l 期：。型：! ： 第一章绪论 第一章绪论 i i 混合式电力电子断路器提出的背景和意义 随着电力系统的迅速发展，现代电力系统面临一系列新的矛盾和问题，也面临前所未有的挑战： 电力系统不断扩大，电网短路电流水平迅速提高，现有的断路器如油断路器、空气断路器等，动作 速度慢，灭弧困难，遮断容量受到限制，难以满足急剧增大的断流容量的要求；在现代交流输电系 统中，虽然计算机技术已经得到广泛应用，但是就其控制手段来讲，仍然是机械式的，如断路器在其 控制的终端，任务最后落实于机械动作上。在许多场合，特别是对于电力系统稳定控制，速度往往是 成败的关键。机械惯性限制了机械式控制动作速度的提高，严重阻碍了在事故处理及系统稳定控制中 的应用，且机械动作可靠性差、器件寿命短，已无法满足电力系统的要求1 1 1 1 2 1 混合式电力电子断路器是在电磁开关的基础上，利用电力电子器件作为无触头开关与电磁开关的 触头并联。由电磁开关承担稳态过程，而无触头开关承担动态过程，二者形成优势互补。与静止式固 态断路器相比。混合式电力电子断路器综合了电磁式断路器与静止式固态断路器二者的优势，并克服 了各自的缺点，不仅能够快速通断而且结构简单，由于电力电子器件只在开关开通关断瞬间导通，平 时几乎没有损耗，所以省却了笨重的冷却设备。 由于混合式断路器所具有的技术特点，可以避免开关投切过程中在电力系统中引起的操作过电压。 同样，由操作过电压决定的电力设备绝缘水平就可大幅度降低。同时，由于操作不当而引起设备( 包括 断路器本身) 的损坏也可大大减少，所以这种技术在国外正逐渐得到广泛的重视和应用。目前，日本与 德国等就已将开发的目光逐渐转向了混合式断路器。而在国内此部分则尚处于起步阶段，努力跟上国 际的发展步伐成为当务之急p j 。 混合式断路器不是将机械式断路器与固态断路器简单并联，而是在综合了机械式断路器与静止式固 态断路器两者优点基础上功能可以得到进一步扩展与机械式或静止式固态断路器比较，混合式断路器 综合了以下优点： 1 稳态工作时导通损耗小 静止式固态断路器的缺点是正常导通时存在过压与过流，器件损耗过大，因而必须加上较大的冷却 系统，而混合式断路器处于正常导通状态时，由机械触点工作，避免了静止式固态断路器损耗大、冷却 系统大的缺点，其冷却系统的体积大大减小。 2 无弧动作 混合式断路器的固态开关部分只负责系统开通关断过程的换流，因而机械式触点在通断瞬间不会产 生电弧，这种特性在一些对安全性要求较高的场合( 如工矿企业、飞机及潜艇等) 尤其重要，在文献1 6 j l 中均提到了代夫特大学为荷兰皇家海军潜艇研制的6 0 0 v 6 k a 零电压切换d c 断路器。在机械式开关动 作时。主触点间不会产生电弧，这对保护开关触点、延长开关使用寿命具有重要的意义。 3 动作快速 混合式技术除了可带来以上两个优点外，它还可以极大提高开关动作整体速度。由于主开关触点是 无弧动作，这不仅可简化机械式开关的消弧机构，也为提高动作机构的运动速度提供了可能，一些文献 中提到了利用在线圈上脉冲放电产生的涡流斥力来加快动触点的分合速度，其中动静触点分离时间可以 达到2 0 0 s 以内。此优点在一些对开关动作要求较高的场合，如超快速负荷开关、限流断路器及转换开 关中有较为广阔的应用前景 混合式断路器应用于电力系统，关键在于其固态开关部分( 即电力电子换流装置) 的电压和电流承 受能力的提高。绝缘栅双极晶体管( i g b t - i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ) 是一种新型电力半导体器件， 已经成为电力电子领域新一代的主流产品，它是一种高压v d m o s 器件与双极晶体管g t r 的组合器件 它将m o s f e t 与g t r 的优点集于一身，既具有输入阻抗高、开关速度快、热稳定性好和驱动电路简单 的好处，又具有通态电压低、耐压高和承受电流大的优点，因此正日益受到青睐，目前已做成单管、双 管和六管等各种模块，在电机控制、中频和开关电源以及要求快速、低损耗场合得到广泛应用，已成为 当前工业领域应用最广泛的电力电子器件嘲正因为具备以上优点，混合式断路器中选用i g b t 作为其 东南大学硕士学位论文 固态换流元件。然而目前i g b t 单管的电压、电流容量还非常有限，远不能满足高电压、大电流场合的 应用。尽管国内外有许多厂家正在研制大容量i g b t 器件，但目前尚无商用化产品可以直接应用于电力 系统1 0 k v 及以上的场合，而对i g b t 进行串并联使用，可以提高其电压、电流容量，混合式断路器就 可以应用于电力系统的高压场合因此，对i g b t 串并联技术的研究具有十分重要的意义，此外，为了 提高i g b t 工作的安全性和可靠性，对其驱动电路及保护措施的研究也是必要的。 1 2i g b t 驱动保护与串并联技术的研究现状 虽然i g b t 具备g t r 和m o s f e t 的优点，但因其内部有寄生晶体管，使之在苛刻的负载条件下不 易驱动和保护，而且其栅射极之间存在较大的寄生电容，在驱动脉冲电压的上升和下降沿需要提供足够 的充放电电流，才能满足其正常驱动的要求，因此必须对i g b t 驱动电路进行合理的设计和选择。i g b t 驱动电路一般分为直接驱动、隔离驱动、集成化驱动三种，其中集成化驱动模块因其功能齐全、性能可 靠而在多种场合备受青睐，目前常用的集成化驱动模块有；日本富士公司的e x b 系列、日本三菱公司 的m 5 7 9 系列、中国西安的h l 系列、美国公司的墩系列、美国u n i t r o d e 公司的u c 3 7 系列，它们的 电气性能各有特点，适用场合也有所不同。表1 1 1 9 1 给出了目前较常使用的专用i g b t 集成驱动模块。 表1 1 国内较常使用的专用i g b t 集成驱动模块 驱动器产地日本富士b 本英达日本三菱中国西安美国u n i t r o d c m 5 7 9 5 9 l 肌4 0 2 au c 3 7 2 4 驱动器系列 e 招4 l 玻0 6 5 m 5 7 9 6 2 lh l 4 0 2 bu c 3 7 2 5 隔离方式 光耦合器光耦合器光耦合器 光耦合器变压器 附加电压 + 2 0+ 2 5 + 1 5 。- 1 0 + 2 5 主 输出高电平，v + 1 4 5+ 1 5+ 1 5+ 1 4+ 9 + 1 5 输出低电平 r 一4 5 8 - 1 0 - 90 工作频f 0 k n z 4 02 04 04 0 要 隔离电f f j v 2 5 0 02 5 0 02 5 0 02 5 0 0 输出电流a 42 52 52 参 开通延m u s 1 50 4 o 8l 10 5 关断延$ t u s 1 50 0 7 0 4l l0 2 5 数 软关断时间u s 1 04 5l 2 m s 可调 报警延时u s l 1 41 在i g b t 器件工作时，极有可能发生器件两端过电压或功率过电流以及短路过电流的状况。因此必 须对i g b t 采取必要的保护措施。一般采用缓冲电路来保护i g b t 器件，以防器件两端遭受过电压冲击 而损坏，过电流保护电路一般集成在驱动模块内部，而且有的驱动模块如m 6 7 9 系列具有过电流保护自 锁电路，可以保证过电流保护电路工作时不受外部控制信号的干扰，具有更高的安全性和可靠性。 i g b t 串联均压技术目前主要有两种控制策略，即无源缓冲电路和栅极均压控制【l i i ”无源缓冲电 路是利用缓冲电路使得过压器件的集射极电压上升率d u c r j d t 与动作最慢的器件一致从而实现动态均 压，这种电路的优点是在低压、小功率线路中能降低i g b t 的开关损耗，均压效果较好。但在高压线路 中，由于缓冲电路的功耗大，且功耗与串联i g b t 的开关频率成正比。因此仅靠缓冲电路来实现动态均 压就非常困难，而且整套均压装置体积大，成本高，在实际应用中很不实际。目前国际上对栅极均压控 制研究相对较多，如栅极电压斜坡控制1 1 2 1 是根据i g b t 器件两端的瞬时电压来改变栅极驱动信号的斜 率，为了在动态控制瞬间不产生过电压，对栅极驱动进行精确的控制，此方法适用于开关频率不高的场 合，这种电路在i g b t 串联均压时也工作，增加了额外的功耗。栅极电流脉冲控制【j ”是一种直接均压的 方法，可以有效降低i g b t 的过冲电压，功耗小，但由于控制器无法在负载变化时产生连续精确的栅极 驱动脉冲，因此这种方法难以用于改善连续的i g b t 不均压。数字无差拍控制1 1 4 1 1 ”1 能够精确控制串联 i g b t 均压，功耗也小，但此方案中需要用到传感器、模数转换器等数字器件，器件延时是该措施的不 足之处多级钳位电路和关断时间调节电路i l ”的方法利用尖峰电压钳位电路和集射极电压变化率 d u d d t 钳位电路将串联不均压控制在i g b t 额定电压范围之内，并且利用i g b t 关断尾部电流期间的 2 第一章绪论 集射极电压作为控制信号调节关断时间，可以将i g b t 关断信号的延时控制在l o o n s 之内，较好地实现 器件均压。每种方案都各有特点，也有各自的应用场合，应该结合i g b t 的应用实际，辩证选择和设计 串联均压方案。 i g b t 并联均流技术是国际上研究的燕点和难点，国外学者提出的栅极串联电阻法【i7 l 通过在并联 i g b t 的栅极之间串联合适的电阻来改善由驱动电路输出阻抗不一致导致的不均流。栅极信号调制【l 目 利用一种闭环控制电路，通过对栅极驱动信号的同步调制实现了i g b t 并联时的动静态均流。该方法对 并联器件的数目不加限制，并且能够减小电流动静态降额率。无能耗动态均流缓冲电路 1 9 1 采用了一种 均流缓冲回路，改善了由i g b t 通态电阻不一致和开关信号延时导致的不均流，该方法同时减小了i g b t 开关功耗。此外。国内学者提出的栅极电阻补偿法【2 。1 较好地改善了由器件参数特性不一致导致的动静 态电流分布不均的情况。 1 3 本论文主要研究内容 本人负责研究混合式断路器中的电力电子换流装置，主要是i g b t 驱动保护及i g b t 串并联技术的 研究，本论文的主要研究内容如下： ( i ) 驱动电路的设计：富士公司的e x b 8 4 1 和三菱公司的m s 7 9 6 2 a l 是两款比较成熟的i g b t 驱动芯 片，能提供完善的驱动电压和可靠的保护功能，但同时也有存在保护盲区、过流保护起控点过高等问题， 为了弥补这些功能上存在的不足。需要设计可靠、稳定的外围电路对其驱动性能进行改善和优化，保证 驱动的可靠性和稳定性。 ( 2 ) 保护电路设计：过电压保护电路中需要设计一种能够满足混合式断路器快速导通时间要求的缓冲 电路拓扑，而且要求其能有效抑制关断过电压、d u o d d t 和抑制震荡。过电流保护电路需要解决e x b 8 4 1 短路电流保护过程易受外部控制信号干扰而中止的问题。必须设计过流保护自锁电路，在e x b 8 4 1 过流 检测进入软关断状态时，强行封锁输入的驱动信号，保证软关断的时间，肪止i g b t 由于发生短路时快 速关断而损坏。 ( 3 ) i g b t 串联技术研究：对影响i g b t 串联动静态均压的因素进行详细分析，提出均压措施。并结合 混合式断路器的应用，设计i g b t 串联均压方案，保证i g b t 串联使用时若发生电压失衡现象能够迅 速响应，减小不均压程度，实现动静态均压，该方案应适用于交流、直流两种供电模式。 ( 4 ) i g b t 并联技术研究：对影响i g b t 并联动静态均流的因素进行详细分析，并分析、设计均流方案， 实现 g b t 并联运行时的动静态均流 3 东南大学硕士学位论文 第二章混合式断路器及其关键元件简介 2 1 混合式电力电子断路器工作原理 2 1 1 混合式电力电子断路器拓扑结构 图2 1 是本文混合式电力电子断路器的拓扑结构，其中s w 。为主开关，二极管桥式电路c d l d 4 ) 、 i g b t 、缓冲回路、吸收回路、放电回路与隔离开关s w 构成固态换流回路。 图2 1 混合式电力电子断路器拓扑结构 混合式断路器的工作过程如下：为了避免主开关s w 。h 动作时产生有害电弧，在s w 。闭合或断 开前起换流作用的固态开关i o b t 必须首先处于导通状态。整个工作过程电流转换波形见图2 2 所示。 图2 2 电流转换波形 断路器需要闭合时，首先于0 时刻投入固态换流回路，然后在 时刻合上主开关，此时因主开关导 通电阻小于固态开关的导通电阻，所以电流开始从圃态换流回路流至主开关，并于f 2 时刻完成换流动作，此 时可以断开固态换流回路。在整个导通过程中，因固态开关的导通电压小于主开关的起弧电压，所以主开关 导通时在其触点间将不会产生电弧。 当检测到主线路发生短路故障时，需要断路器迅速关断，其过程为：首先通过驱动电路将固态换流 回路投入工作，在固态开关于6 时刻导通后，断开主开关，利用主开关触点间的电弧电压将电流换流至固 态换流回路，因为电弧电压受到固态开关导通压降的限制，在主开关触点间不会产生电弧，这样完成了对主 开关触点的保护。在主开关触点完全断开并恢复绝缘强度后，再于，5 时刻关断固态开关。为减小感性负 载条件下关断时固态开关两端的过电压，采用了缓冲回路和吸收回路，当缓冲回路上电压过高时，投入 吸收回路，直至t 7 时刻回路电流为零时，由s w 。完成最后分断任务，实现视觉隔离。设计放电回路是 为了能够恢复系统的初始状态，为下次投入运行傲准备。整个分断过程动作迅速，可有效切断短路故障 电流。断路器断开动作的情况与以上过程基本一致。 2 1 2 混合式电力电子断路器各部分电路功能分析 1 主回路开关 主回路开关见图2 1 中s w 。h ，其由普通的电磁式断路器构成，电磁式断路器的特点是接触电阻小，作 为主回路开关可以减小开通时的损耗。 2 隔离开关 4 第二章混合式断路器及其关键元件简介 隔离开关见图2 1 中s w ， 的可视化。 3 检测电路 检测电路完成对线路电流、 作信号。 当主回路及换流回路断开后，由隔离开关最终完成关断动作，实现关断动作 电压的即时检测，根据电流、电压的变化进行相应的判断，并输出相应的动 4 驱动电路 驱动电路主要根据检测电路的输出信号，保证断路器各部分电路正确动作，包括主回路开关、隔离开关 及换流回路相互之间动作的时序及i g b t 的保护等。 5 固态换流回路 图2 3 为固态换流回路原理图。 - 拯 1 l0 - 叫略 1 圭 _ - t “ i 上，k ；1 _ 世j 斟一” f 叫 一e 舳1 时，i g b t 进入正向导通状态，随着陆的升高，向n 区基极提供电子的导电沟道加宽，集电极电流而增大。在 正向导通的大部分区域内，j c 与【，商呈线性关系，而与u c e 无关，这部分区域即为线性区，作为开关 状态的i g b t 要避开此区，否则功耗将很大。饱和区指输出特性明显弯曲的部分，此时集电极电流昆 与栅射极电压e 不再是线性关系。 i g b t 的通态电流j 为 f 毋b t 芦b 呼b 气l 邓，d ( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中而为达林顿管中m o s f e t 的漏极电流，亦即p n p 晶体管的基极电流：卢h 口为p n p 晶体管 的电流放大系数，与普通达林顿结构电路不同，i g b t 的岛n p 1 ，c 是构成i g b t 通态电流的主要部 分。 i g b t 的通态压降m 为 u c e s = 巧l + r r 十r d 置 式( 2 - 2 ) 中珥l j 1 结的正向压降，约为0 7 1 v ，r 扩展电阻风，上压降； 足。沟道欧姆电阻。 与m o s f e t 相比，i g b t 的通态压降要小得多， 为i g b t 中n 一漂移区存在电导调制效应的缘故 ( 2 - 2 ) l o o o v 的i g b t 约有2 5 v 的通态压降，这是因 2 动态特性：i g b t 开通过程的大部分时间是作为功率m o s f e t 来运行的，所以其电压电流波形与功率 m o s f e t 开通时相似，只是在集射电压哳降过程后期，p n p 晶体管由放大区至饱和区，又增加了一 段延迟时间。图2 6 ( a ) 是i g b t 开通时的电压、电流波形图，缸o m 为开通延迟时间。知为电流上升时间。 实际应用中常给出的集电极电流开通时间f 0 n 为“0 n 痢靠之和，i i p t o n = t d ( o l m + t n 。 i g b t 在关断过程中，集电极电流的波形变为两段。因为m o s f e t 关断后，p n p 晶体管的存储电荷 难以迅速消除，造成集电极电流较长的尾部时间，缸o f f ) 为关断延迟时间。知为电压l i c e 的上升时间，细 和坫2 组成集电极电流的下降时间t n ，如图2 6 ( b ) 所示 实际应用中常给出的集电极电流关断时间t o n 一= m 0 m + “+ 如。 7 东南大学硕士学位论文 删 霎i 译文 过一l 国卿! i 卜 1 葫 一腊i ， 一。 ( a ) i g b t 开通时的电压、电流波形 ( b ) i g b t 关断时的电压电流波形 图2 6 i g b t 的动态特性图 i g b t 的开关时间与集电极电流毛、栅极电阻风以及结温等参数有关。随着尼和j 屯的增大，i g b t 开通和关断时间、庇上升和下降时间趋于增加。尤其受栅极电阻的影响比较大。 此外，i g b t 的开关损耗与温度有关，尽管其开关损耗较低，但随温度升高而增大。 2 2 3i g b t 的擎住效应和安全工作区 1 擎住效应 i g b t 体内存在一个寄生晶体管。其等效电路如图2 7 所示在寄生晶体管v 2 的基极与发射极之间 并有一个体区短路电阻凰，相当于n p n 管之间的一个偏置电阻，在此电阻上p 型体区的横向空穴会产生 一定压降，对j 3 结而言，相当于一个正偏置电压。在规定的集电极电流范围内，这个正偏置电压不大， v 2 不起作用，当昆大到一定程度时，该正偏置电压足以使v 2 开通，进而使v 2 和v 3 处于饱和状态，于是 寄生晶体管开通，栅极失去控制作用，这就是所谓的擎住效应。i ( 3 b t 发生擎住效应后，器件将失控， 集电极电流增大，造成过高的功耗，将导致器件损坏为此，集电极电流有一个临界值j 凶，大于此值 便会产生擎住效应。为避免出现擎住效应，器件制造厂家必须规定集电极电流的最大值j ，以及与此 相应的栅射电压的最大值。当i g b t 集电极通态电流的连续值超过临界值j 凶时产生的擎住效应成为静态 擎住效应。 图2 7 具有寄生晶体管的i g b t 等效电路 在i g b t 高速关断的动态过程中。电流下降过快，u c z 突然上升，集射电压变化率d v c r j d t 过高，在j 2 结中引起的位移电流c n ( d 职删就会越大，当该电流流过足b f 时，也可产生足以使晶体管v 2 开通的正向 偏置电压，满足寄生晶体管开通擎住的条件，形成动态擎住效应。使用中必须防止i g b t 发生擎住效应， 为此可限制值，或者用加大栅极电阻足g 的办法延长1 g b 联断时间，使电流下降速度放慢，以减少 d 巩舢。值得指出的是，动态擎住所允许的集电极电流比静态擎住所允许的要小，故生产厂家所规 定的屯艟是按动态擎住所允许的最大集电极电流来确定的。 此外，在温度升高的情况下也会发生擎住效应。使i g b t 发生擎住效应的集电极电流岛d 在常温 ( 2 5 0 c ) 下一般是额定电流的6 倍以上，随着温度升高i c m 会严重下降。当温度由常温2 5 。c 升高为1 5 0 0 c 8 苎三皇堡鱼茎堕堕墅墨茎差堡垂堡塑坌 时，擎住电流下降了近一半。其主要原因是i g b t 的体内n p n 和p n p 晶体管放大系数随温度的上升而 增大、凰，随温度上升也增大。 2 安全工作区 安全工作区反映了一个晶体管同时承受一定电压和电流的能力。i g b t 常用于开关工作状态，它的 安全工作区较宽，可分为正向偏置安全工作区( f b s o a ) ( 图2 8 - a ) 和反向偏置安全工作区( r b s o a ) ( 圈 2 8 - b ) 。 ( a ) i g b t 的正向偏置安全工作区 ( b ) i g b t 的反向偏置安全工作区 图2 8i g b t 的安全工作区 ( 1 ) 正向偏置安全工作区 正向偏置安全工作区是指i g b t 在开通工作状态时的参数极限范围，由最大集电极电流j 凶、最大集 射电压u c m 和功耗三条边界极限包围而成。最大集电极电流j 幽是根据避免动态擎住而设定的，最大集 射电压u c e m 是由i g b t 中晶体管v 3 的击穿电压所确定，最大功耗则是由最高允许结温所决定。f b s o a 与i g b t 的导通时间( 即导通脉宽p w ) 密切相关，导通时间很短时( 如p w 1 0 p s ) 安全工作区近似为矩形 方块。随着导通时间的增加，安全工作区逐渐减小，直流工作时安全工作区最小。这是因为导通时间越 长发热越严重，安全工作区则越窄。 ( 2 ) 反向偏置安全工作区 反向偏置安全工作区是指i g b t 在关断工作状态下的参数极限范围，由最大集电极电流i c m 、最大 集射电压7 豳和电压变化率d u c d d t 三条极限边界组成。r b s o a 与f b s o a 稍有不同，r b s o a 随着 i g b t 关断时的d u c r j d t 而改变。d u c d t 越大，安全工作区越小。过高的d u c f d t 会使i g b t 产生擎住 效应。一般通过适当选择栅射电压和栅极电阻r o 可控制d 训f ，避免i g b t 因d u c 4 d t 过高而产 生擎住效应。根据避免动态擎住而确定最大集电极电流i c m 的同时，还相应确定了最大的栅源电压u o e m 。 当外电路发生故障时，只要不超过，0 】m ，i g b t 将从饱和状态进入放大状态，集电极电流与集射电压无 关。基本保持恒定，在这种情况下应尽快关断i g b t ，避免过量的发热而导致器件损坏。 据有关试验测得，当栅射电压在1 0 1 5 v 之间工作时，集电极电流可在5 1 0 9 s 以内超过额 定电流的4 1 0 倍，在这种情况下仍能用反向偏置的政m 实行对i g b t 关断。若超过此极限，i g b t 则 有损坏的危险。 最大集射电压是由i g b t 中p n p 晶体管的击穿电压确定的。 i g b t 的最高允许结温为1 5 0 0 c 。i g b t 的通态压降u c e s 基本稳定，不随温度而变。 2 3 本章小结 本章简要介绍了混合式断路器的拓扑结构与工作原理，对断路器各部分电路的功能进行了分析。 i g b t 具有输入阻抗高、通态电压低、开关速度快、耐压高、承受电流大、热稳定性好和驱动电路简单 等优点，因此混合式断路器中选用i g b t 作为换流器件，本章对i g b t 的结构和工作原理、基本特性、 擎住效应和安全工作区进行了介绍。 9 东南大学硕士学位论文 第三章i g b t 驱动与保护电路设计 3 1i g b t 驱动电路的设计要求 i g b t 栅极驱动电路影响i g b t 的通态压降、开关时间、开关损耗、承受短路电流能力及d 乇胡f 等参 数，决定了i g b t 的静态与动态特性，因此设计好i g b t 的驱动电路是非常重要的。 3 1 1i g b t 栅极驱动的基本要求吲叫 i g b t 导通需要栅极电压使其集电极与发射极之间导通。栅极电压可由不同的驱动电路产生，图3 1 为一种典型的i g b t 驱动电路。当选择驱动电路时，总体上应基于器件关断偏置的要求、栅极电荷的要 求、耐固性要求和电源的情况等参数来考虑。下面将 图3 1 典型的i g b t 栅极驱动电路 1 栅极驱动电压 一般栅极正偏置电压+ f 1 5 v _ + 1 5 v ，此值能使i o b t 完全导通，并使通态损耗减至最小。而栅 极负偏置偏压一t y g , ：可以有效抑制由d v c v d t 引起的i g b t 误导通，同时也可以减小关断损耗，一般一t r g e 取值在一5 一1 5 v 之间。 正偏置电压+ t y o e 增加，i g b t 通态压降u c - e s 下降，开通能耗e o n 也下降。分别如图3 2 ( a ) 和图3 2 ( b ) 所示。由图可知，当+ ( j o e 固定不变时，导通压降将随集电极电流j c 的增大而升高，开通损耗将随结温 升高而升高。 o4l1 2”柏0 48t 2坫 筇 u 鼯nu 啦烈 ( a ) u c v s 与，g e 的关系曲线 ( b ) e o n 与e 的关系曲线 图3 2 通态压降u c e s 和开通损耗晟) n 与栅极正偏置电压u o e 的关系曲线 负偏置电压一直接影响i g b t 的可靠运行。图3 3 为集电极浪涌电流b 和关断能耗e o 与栅 极负偏置电压一k m 的关系曲线图，由图可知，负偏置电压增加时集电极浪涌电流明显下降，而对关断 能耗e o 无明显影响。 1 0 吣 彳 6 2 苫 第三章i g b t 驱动与保护电路设计 o i 46 m 口 51 0 一e k ；，v- 醌 ( a ) o , 4 与一h 的关系曲线( b ) 晟) 阡与一的关系曲线 图3 3 集电极浪涌电流b 和关断能耗晟卿与栅极负偏置电压一h 的关系 2 栅极电阻 i g b t 的开通与关断是通过对栅极电容的充放电实现的，因此栅极电阻r g 的大小对i g b t 的动态特 性有着重要影响。如图3 4 ( a ) ，置g 大，栅极电容充放电慢，开通和关断时间长，开通和关断能耗大； 凰小，栅极电容充放电快，开通和关断时间短，开通和关断能耗小。但j 配如果太小，会使集电极电流 上升率d 删变大。如图3 4 ( b ) ，可能引发擎住效应，置g 上的损耗也会有所增加。同时，小的j b 会减 弱栅极驱动的抗干扰能力，也会减弱对栅极驱动引线寄生电感与栅射电容c 矗所产生振荡的阻尼作用 龋 毫 蠢 ( a ) j b 与e o n 、且聊的关系曲线( b ) j 玷与c 0 j d t 的关系曲线 图3 4 栅极电阻j 配与e o n 、晟m 及集电极电流上升率d r d r 的关系曲线 因此，要根据i g b t 的电流容量、电压额定值及开关频率的不同，合适选择置。的值，一般在几十 欧至几百欧之问。i g b t 的栅极电阻通常采用表3 1 推荐的值，如果工作频率较低，也可以采用前一档 电阻值较大的值 表3 1 推荐的栅极电阻值 1 g 裟篡压 额定电压 额定电流，a 6