新型IGBT驅動策略在船用直流電網短路保護中的應用

郭江榮

(寧波大學 海運學院，浙江 寧波 315211)

隨著船舶電力系統的不斷發展，直流電力推進系統以其節能、占用空間小、質量輕及擴展性強的優勢，逐步成為船舶所有人和船廠首選的電力系統形式。但是，目前依然沒有足夠完美的解決直流電網短路保護問題的方案，船用直流電力系統發生短路故障時的故障電流將達到7～8倍的額定電流。[1-2]目前采用的直流電力系統中含有大量電力電子設備，7～8倍的額定電流幾乎會對這些設備造成毀滅性損壞。

為解決船舶電力系統短路保護的快速性和選擇性問題，基于瞬時保護的選擇性保護方法及基于差動保護的選擇性保護方法等多種方法[3-4]陸續被提出，其中：基于瞬時保護的選擇性保護方法使用快速熔斷器與斷路器的工作時間差進行選擇性保護，具有易于實現的優點，但對系統短路阻抗及快速熔斷器動作時間的精度的依賴性較強；基于差動保護的選擇性保護方法利用差動保護原理實現選擇性保護，具有選擇性好、動作靈敏快速的特點，但在應用和適裝性上有一定的缺陷。加裝短路限流裝置是解決此類問題主要采用的方法之一。短路限流裝置有很多種，包括快速熔斷器[5]、超導限流器[6]、磁元件限流器[7]、PTC電阻限流器[8]及固態限流器等，其中：快速熔斷器為單次動作降低了系統運行的自動化水平；其他裝置均因基礎技術尚不成熟或無法適用于直流系統而不能很好地解決該問題。使用電力電子設備[9]達到限流的效果具有一定的優勢，但目前的電力電子設備只適用于母聯之間的連接，用于切斷故障供電區，并不能保護單個設備，且成本較高。

對此，通過優化IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的驅動策略及短路保護動作，能在發生短路故障時迅速識別并快速切斷故障，同時具有可恢復性。在MTLAB中搭建仿真模型，并搭建模擬試驗平臺，分析該IGBT驅動策略及短路保護動作的快速性和安全性，為進一步優化船舶直流電力系統短路保護的快速性和選擇性提供參考。

1 基于IGBT的船用直流電網瞬時短路保護方案

在船舶直流電力系統中，為實現短路保護的快速性和選擇性，IGBT開關是最合適的選擇，基于IGBT的短路保護方案見圖1。

IGBT開關主要由驅動、檢測、保護和反饋電路組成，重點需解決短路檢測及短路保護策略問題。

2 IGBT短路特性

IGBT的短路主要分為以下2種：

1) HSF(Hard Switching Fault)，是指在IGBT開通之前，主回路已短路，IGBT在阻抗非常低的回路中開通的狀態，如上下橋臂直通。

2) FUL(Fault Under Load)，是指在IGBT已開通、工作于飽和區時，主回路發生短路的情況。

在HSF情況下，IGBT的開通過程[10]見圖2，其中：VGE為IGBT門極對發射級電壓；VCE為IGBT集電極對發射級電壓；VCC為門極驅動電壓最大值；VEE為門極驅動電壓最小值；Vbus為直流母線電壓。

在FUL情況下，IGBT的開通過程[11]見圖3。

圖2 HSF情況下IGBT的開通過程圖3 FUL情況下IGBT的開通過程

3 di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路策略

根據上述IGBT短路特性，采用一種di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路策略，其原理圖見圖4。該策略集合傳統集電極電壓VCE退飽和檢測與di/dt檢測的優勢，可更加快速、準確地檢測IGBT短路狀態。

di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路策略包含di/dt檢測和集電極電壓VCE退飽和檢測2種檢測方法，二者的功能在時序上是相互獨立的。

首先作用的是di/dt檢測。IGBT含有輔助E極AE(Auxiliary E)和功率E極PE(Power E)2個E級，其中：AE簡稱為E，在IGBT模塊內部；而PE與主回路相連。2個E極之間存在著一個較小的寄生電感LE。在IGBT集電極電流上升過程中，LE上會產生一個上正下負的感應電勢，其絕對值與集電極電流上升率di/dt成正比。在發生短路時，di/dt遠超正常開通時的等級，因此通過檢測LE上的感應電勢，當其超過某設定的閾值時，即可判斷發生短路。

在圖4中，以E點為電壓參考點，B點的電勢為

(1)

式(1)中：VD2為D2的開通管壓降；VPE為PE點電勢。di/dt越大，LE上的感應電壓絕對值越大，VPE越低，VB隨之降低。因此，設置合理的電壓閾值Vref2，使正常開通時有

VD2-VPE)>Vref2

(2)

發生短路時有

VD2-VPE)≤Vref2

(3)

開通信號一旦到來，如圖3中的t0時刻，di/dt立即開始發揮作用，并在開通信號持續時間內始終發揮作用。當式(3)成立時，短路檢測比較器U2即向IGBT驅動器反饋一個短路信號，否則發送狀態正常信號。

集電極電壓VCE退飽和檢測遲于di/dt檢測發揮作用。圖4中，在IGBT的門極G與集電極C之間反并聯一個高耐壓的二極管D1，其耐壓值必須高于IGBT集電極電壓峰值。由前述IGBT開通過程可知，在圖3中的t4時刻之后，若IGBT正常開通，應工作于飽和區，集電極電壓VCE只有幾伏，因此D1是正向導通的。以E為電壓參考點，A點電勢為

VA=VCE+VD1

(4)

式(4)中：VD1為D1的開通管壓降。在HSF情況下，t4時刻后VCE將持續較高，D1反向截止，A點電壓為VCC；若出現FUL情況，VCE將隨IGBT退飽和而迅速升高，D1將反向截止，A點電壓將升高為VCC。因此，在t4時刻之后，若檢測A點電勢高于某設定閾值，即可判斷發生短路。

設置一個適當的電壓閾值Vref1，使IGBT正常工作時有

VA

(5)

在HSF及FUL情況下有

VA≥Vref2

(6)

在IGBT開通信號到來并經過盲區時間之后，集電極電壓VCE退飽和檢測開始，并在開通信號持續時間內始終發揮作用。設置盲區時間是為了避免在IGBT正常開通時VCE的下降過程中產生誤檢測。盲區時間是從開通信號到來至集電極電壓VCE下降到飽和電壓VCEsat的時間，即圖3中的t0～t4。在集電極電壓VCE退飽和檢測持續時間內，若式(6)成立，則短路檢測比較器U1立即向IGBT驅動器反饋一個短路信號，否則發送狀態正常信號。

di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路策略是將上述2種IGBT短路檢測策略結合起來得到的，其特點主要有：

1) di/dt檢測負責HSF情況和短路回路負載極小的FUL情況的短路檢測。

2) 集電極電壓VCE退飽和檢測負責短路回路負載較大的FUL情況和電流上升率較低而使di/dt漏檢測的HSF情況的短路檢測。

當上述2種檢測方式中的任意一種檢測到短路狀態時，IGBT驅動器都會收到短路信號，并立即采取保護措施，為IGBT提供最好的保護。

綜上所述，di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路策略的優勢在于電路結構簡單、成本較低，并能更早地檢測到HSF情況及短路負載極小的FUL情況，同時能全面地檢測其他短路情況，確保IGBT安全工作。

4 IGBT軟關斷短路保護策略

在IGBT驅動器接收到短路檢測電路發來的短路信號之后，需對IGBT進行關斷。若直接將門極供電電壓VCC切換為負電壓VEE，門極電壓UGE將迅速降低。由于檢測到短路時IGBT處于線性區，此時集電極電流IC正在以很大的速率上升，因此集電極電壓VCE將隨門極電壓VGE的下降而上升。之后，集電極電流IC會因門極電壓VGE下降至門檻電壓VGE(th)以下而以極大的速率下降，這會在短路回路寄生電感Lshort上產生一個與母線電壓同向的感應電壓，使集電極電壓產生很高的電壓尖峰，見式(7)。若不采取保護措施，則該電壓尖峰很可能使IGBT發生電壓擊穿，即使IGBT沒有直接被損壞，由于其工作在線性區，過高的電壓尖峰也會使關斷損耗遠大于正常關斷的情況，對IGBT造成損害。

(7)

為解決短路保護的關鍵問題——關斷電壓尖峰，提出一種基于門極電壓控制的軟關斷技術。該技術的核心是緩慢降低門極電壓，使IGBT集電極電流緩慢減小。較小的集電極電流變化率di/dt會降低短路回路寄生電感Lshort上產生的感應電壓，從而減小關斷電壓尖峰。

圖5為IGBT最大短路時間與門極電壓間的關系曲線，可看出二者呈反比關系。在發生短路時，緩慢降低IGBT的門極電壓雖然可延長關斷時間，但IGBT承受短路的時間會隨之增加，因此只要在最大短路時間之內將門極電壓降至門檻電壓VGE(th)以下，IGBT就不會損壞。軟關斷的實現方式見圖6。在正常開通時，S1和S5導通，門極驅動電壓為+15 V；在正常關斷時，S3和S4導通，門極驅動電壓為-15 V；在軟關斷時，S2和S5導通，門極驅動電壓為0。當驅動器收到短路信號時，立即進行軟關斷。選取適當的軟關斷門極電阻Rst，門極電容通過Rst和RE放電，門極電壓較為緩慢地下降。軟關斷過程持續到IGBT集電極電流IC=0，然后切換到硬關斷狀態，向IGBT門極加負壓。

軟關斷技術的主要優勢是在發生短路時緩慢降低集電極電流，大大減小關斷電壓尖峰，使IGBT免于電壓擊穿。此外，雖然關斷時間延長，但由于電壓尖峰大大減小，關斷功耗隨之減小。軟關斷技術的另一優勢是可在檢測到短路時立即采取保護措施，無需等待集電極電壓上升至母線電壓，這使得IGBT承受短路的時間更不易超過允許的最大短路時間。

5 試驗驗證

搭建測試平臺，原理見圖7，模擬在發生短路故障時IGBT的檢測和保護性能。IGBT的選型為infineon的FF1000R17IE4，電容容值為9.6 mF，充電至1 000 V，先給IGBT導通信號，模擬負載側短路，此時測得的波形見圖8。

圖7 測試平臺原理圖8 短路故障試驗波形

從圖8中可看出，短路檢測時間約為8 μs，短路保護軟關斷時間約為2 μs，關斷電壓沖擊約為100 V。電流沖擊較大，但時間較短，并未對IGBT造成損傷。

6 結束語

為滿足船用直流電網短路時對快速性和選擇性的要求，通過研究IGBT的短路特性，提出一種di/dt與集電極電壓VCE聯合檢測短路的策略，該策略具有電路結構簡單、成本較低的優點，不僅能更早地檢測到HSF情況及短路負載極小的FUL情況，還能全面檢測其他短路情況，確保IGBT安全工作。為確保短路故障發生之后能快速關斷電路且不產生次生危害，提出一種軟關斷短路保護策略，在發生短路時緩慢降低集電極電流，大大減小關斷電壓尖峰，使IGBT免于電壓擊穿。通過試驗驗證了該策略的可用性。

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