飛跨電容三電平雙向直流變換器的短路保護(hù)

陳海東，何 寧，徐國金，周玉虎

（臺(tái)達(dá)電子杭州設(shè)計(jì)中心，浙江 杭州 310051）

0 引 言

隨著能源和環(huán)境的挑戰(zhàn)日益嚴(yán)峻，大力發(fā)展可再生能源是推動(dòng)綠色低碳發(fā)展和加快生態(tài)文明建設(shè)的重要支撐，也是應(yīng)對氣候變化的重要舉措。對中國這樣一個(gè)能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國來說，發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。目前，電動(dòng)汽車的研究主要圍繞在如何發(fā)掘其充電靈活性上。電動(dòng)汽車作為通勤交通工具使用，現(xiàn)有工作利用其相對寬裕的充電時(shí)間開展充電調(diào)度，實(shí)現(xiàn)效率的提升[1]。應(yīng)用高壓直流快速充電技術(shù)為新能源汽車充電，功率大且充電速度較快[2]。

電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是基于脈沖寬度調(diào)制（Pulse Wiolth Modulation，PWM）技術(shù)的電壓源型逆變器，即儲(chǔ)能變流器（Power Conversion System，PCS）。通過PCS實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)直流電池與交流電網(wǎng)之間的雙向能量傳遞，通過控制策略實(shí)現(xiàn)對電池系統(tǒng)的充放電管理、對網(wǎng)側(cè)負(fù)荷功率的跟蹤以及對正常及孤島運(yùn)行方式下網(wǎng)側(cè)電壓的控制等。

目前，常用的PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，采用雙向DC/DC變換器和雙向DC/AC變換器。雙向DC/DC變換器用來調(diào)整直流電壓和電池充放電電流，雙向DC/AC起到整流和逆變功能，實(shí)現(xiàn)電池儲(chǔ)能系統(tǒng)與電網(wǎng)的能量交換。PCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)對多串電池組的充放電管理。DC/DC環(huán)節(jié)可實(shí)現(xiàn)直流電壓的升降，使得儲(chǔ)能電池的容量差異和荷電狀態(tài)（Stade of Charge，SOC）高低配置更加靈活。不僅適用于電動(dòng)汽車換電模式下在換電站對多個(gè)電池包的先后加入充電，也適用于電動(dòng)汽車退役電池的二次利用。

圖1 含DC/DC與DC/AC環(huán)節(jié)的共直流母線結(jié)構(gòu)

并且，PCS直流母線儲(chǔ)能拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接多臺(tái)DC/DC變換器，模塊化的設(shè)計(jì)理念和分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)電池模組的精細(xì)化管理。儲(chǔ)能系統(tǒng)在全生命周期內(nèi)的放電容量更高且投資更優(yōu)，安全可靠。

飛跨電容三電平變換器與傳統(tǒng)的兩電平直流變換器相比較，優(yōu)勢在于開關(guān)管承受的電壓應(yīng)力較小，且可以減小輸出電感體積，降低動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間。正因?yàn)檫@兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)，三電平雙向直流變換器廣泛地應(yīng)用于軌道交通、新能源發(fā)電以及儲(chǔ)能等高直流電壓儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域[3]。但是飛跨電容具有電容容量大和電容電壓高等特點(diǎn)，一旦變換器外部發(fā)生短路故障后，飛跨電容上面的能量釋放，瞬間產(chǎn)生很大的短路電流，如果不及時(shí)處理，將進(jìn)一步造成火災(zāi)事故，因此研究飛跨電容三電平雙向直流變換器的短路保護(hù)很有意義。

1 多變換器并聯(lián)拓?fù)淠妇€側(cè)短路危害

1.1 變換器母線側(cè)端口短路

多變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)如圖2所示，當(dāng)#2號(hào)變換器a、b處發(fā)生短路時(shí)，即為變換器母線側(cè)端口短路故障。

圖2 多變換器并聯(lián)結(jié)構(gòu)

1.2 變換器母線側(cè)端口短路的危害

直流側(cè)短路故障會(huì)產(chǎn)生極大的電流和熱量，主要有以下幾個(gè)方面影響。一是變換器短路時(shí)，直流線路阻抗通常較小，將造成短路電流上升速度極快；二是過大的短路電流會(huì)造成器件過熱損壞，同時(shí)給電池的安全與壽命帶來不利影響；三是過大的短路電流會(huì)造成短路變換器內(nèi)部的分?jǐn)嘌b置無法有效斷開；四是變換器多個(gè)并聯(lián)的條件下，一個(gè)變換器端口發(fā)生短路，有可能造成多個(gè)并聯(lián)變換器過流并且同時(shí)毀壞熔斷器，增加了維修成本和時(shí)間；五是單臺(tái)變換器僅可以提供數(shù)千安培的短時(shí)短路電流，而多臺(tái)變換器并聯(lián)在一起后，每一臺(tái)變換器都會(huì)向短路點(diǎn)提供短路電流，從而可以形成很大的總短路電流。

針對上述危害，本文分析了如何實(shí)現(xiàn)短路回路電流的檢測、如何快速切斷短路回路以及如何保證變換器自身“存活”下來等問題，提出了具體的設(shè)計(jì)方案和控制策略，確保整個(gè)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2 飛跨電容三電平變換器高壓側(cè)短路電流路徑分析

飛跨電容三電平變換器高壓側(cè)短路電流路徑示意如圖3所示。

如圖3所示，該拓?fù)涞奶厥庑詫?dǎo)致出現(xiàn)高壓側(cè)短路故障，內(nèi)部S1、S2、S3以及S4主管的驅(qū)動(dòng)關(guān)閉。由于繼電器不能快速帶載切斷，內(nèi)部電容以及電池側(cè)的能量還是會(huì)通過主管的體二極管向高壓側(cè)釋放。高壓側(cè)發(fā)生短路之后，形成以下4組放電路徑。

圖3 飛跨電容三電平變換器高壓側(cè)短路電流路徑示意圖

放電回路1是輸入電容C1→S5→S6→CS→a、b→K1→Fuse1→Fuse2→K2；放電回路2是飛跨電容 C2→ D1（S1）→ S5→ S6→ CS→ K1→ Fuse1→ a、b→ Fuse2→ K2→ D4（S4）； 放 電 回 路 3是 輸出 電 容 C3→ L － D2（S2） → D1（S1） → S5→S6→CS→K1→Fuse1→a、b→Fuse2→K2；放電回路4是電池側(cè)能量通過Fuse3→K3→L→D2（S2）→ D1（S1） → S5→ S6→ CS → K1→ Fuse1→ a、b→Fuse2→K2→K4→Fuse4。

上面4組放電回路中，任何回路持續(xù)時(shí)間越長，短路電流越大，必定造成變換器損毀。其中S6的主要作用是在保護(hù)變換器內(nèi)部發(fā)生短路之后，用過快速關(guān)閉切斷外部和變換器內(nèi)部短路回路。分析上述高壓側(cè)的短路電流回路可知，短路電流同時(shí)經(jīng)過IGBT和電流傳感器，由此介紹兩種短路保護(hù)方案。方案1通過絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transisteo，IGBT）驅(qū)動(dòng)電路退飽和功能，限制短路電流；方案2采用電流傳感器CS作為總短路電流的檢測源。當(dāng)短路電流增加到過流保護(hù)閾值時(shí)，產(chǎn)生過流觸發(fā)信號(hào)，由觸發(fā)信號(hào)來快速關(guān)閉IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 短路保護(hù)仿真分析

建立飛跨電容三電平變換器模型和高壓側(cè)短路故障模型，如圖4所示。其中仿真參數(shù)UHV=1 500 V，ULV=1 000 V，共模電感漏感Lk=10 μF。圖4中S1開關(guān)閉合代表高壓側(cè)發(fā)生短路故障，S2開關(guān)代表IGBT器件，短路發(fā)生到S2開關(guān)閉合，持續(xù)時(shí)間為短路過流響應(yīng)時(shí)間。

圖4 飛跨電容三電平變換器短路保護(hù)模型

仿真可得短路電壓與電流波形如圖5所示，仿真中設(shè)置過流響應(yīng)時(shí)間為3μs，短路電流峰值約為580 A。短路電流的大小主要取決于短路回路阻抗、回路電感以及IGBT關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間，DIODE（D5）可以提供電感（L2）續(xù)流回路，防止電感和回路結(jié)電容產(chǎn)生震蕩，將UE點(diǎn)的電壓鉗位在零電平，限制IGBT電壓應(yīng)力。

圖5 短路電壓、電流與時(shí)間波形

4 短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)電路與設(shè)計(jì)

4.1 IGBT退飽和短路檢測方案

退飽和短路檢測電路如圖6所示。IGBT的工作狀態(tài)有飽和區(qū)、線性區(qū)以及截止區(qū)3種工作狀態(tài)。當(dāng)回路中產(chǎn)生很大的短路電流時(shí)，IC電流快速上升，上升到一定的數(shù)值之后不再增加，然后UCE快速上升到母線電壓，二極管Dd反向截止工作，電容CRES被驅(qū)動(dòng)內(nèi)部電流恒流源充電，當(dāng)CRES電壓被充電到內(nèi)部比較器基準(zhǔn)電壓Uref時(shí)，比較輸出電壓翻轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)的功能[4]。

圖6 退飽和短路檢測電路

4.2 電流傳感器檢測短路保護(hù)方案

短路保護(hù)邏輯如圖7所示，包括4個(gè)功能組成部分。

第1部分是快速比較器電路，比較器負(fù)極輸入端連接CT采樣的輸出信號(hào)，正極輸入端連接參考電壓Uref，用來判斷CT上流過的電流是否過流。第2部分是干擾屏蔽電路，增加抗干擾電路防止短路保護(hù)功能誤動(dòng)作。第3部分是RS觸發(fā)器電路，當(dāng)過流保護(hù)觸發(fā)之后，比較器輸出為低，電容C1迅速放電，RS觸發(fā)器的輸入端S引腳為低，輸出端Q由高跳低，并且在故障解除之后，無論R端輸入高或者低，RS觸發(fā)器均為低，減小了再次被干擾的風(fēng)險(xiǎn)。第4部分是IGBT驅(qū)動(dòng)電路，當(dāng)RS觸發(fā)器的輸出為低，通過二極管將驅(qū)動(dòng)IV信號(hào)拉低，關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

當(dāng)外部端口短路后，電流傳感器CS流過的電流突然變大，傳感器將采樣到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)與比較器設(shè)定的閾值基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)短路電流達(dá)到設(shè)定的閾值之后，比較器輸出電平信號(hào)由高電平快速翻轉(zhuǎn)為低電平，該信號(hào)傳遞到RS觸發(fā)器鎖定之后，觸發(fā)器輸出信號(hào)Q將IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)快速拉低，IGBT關(guān)斷，切斷整個(gè)變換器內(nèi)部的短路電流路徑[5]。

5 短路保護(hù)實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證兩種短路保護(hù)電路的正確性以及短路電流的抑制能力，搭建了樣機(jī)。試驗(yàn)中模擬高壓側(cè)短路開關(guān)裝置采用可控硅模塊，可控硅模塊控制簡單、靈敏、響應(yīng)快，型號(hào)為Infineon-TZ810N22K，樣機(jī)參數(shù)見表1。

表1 樣機(jī)參數(shù)表

為了直觀地比較文中提到的短路保護(hù)方案，進(jìn)行高壓側(cè)短路試驗(yàn)。首先樣機(jī)通過內(nèi)部Fuse熔斷來切斷短路回路，測試端口的短路電流，其次分別試驗(yàn)退飽和短路和傳感器短路檢測方案，最后將測試結(jié)果比較，選擇最優(yōu)方案。

試驗(yàn)工況中，高壓側(cè)電壓為1 500 V，低壓側(cè)電壓為1 000 V，從低壓側(cè)向高壓側(cè)放電電流為40 A。試驗(yàn)得到Fuse熔斷短路波形如圖8所示，退飽和保護(hù)短路波形如圖9所示，電流傳感器保護(hù)短路波形如圖10所示，短路保護(hù)方案測試結(jié)果如表2所示。

表2 短路保護(hù)方案測試結(jié)果

圖8 Fuse熔斷短路波形

圖10 電流傳感器保護(hù)短路波形

圖8中的短路通過Fuse熔斷來切斷短路回路，回路中短路電流達(dá)到2 580 A，持續(xù)時(shí)間比較長，導(dǎo)致樣機(jī)Fuse，S1，S2，S4管都不同程度損壞，因此這種短路不可取。圖9中的退飽和短路保護(hù)方案結(jié)構(gòu)簡單，但是抗干擾要求較高，需要增加屏蔽電路，因此過流檢測就會(huì)加長時(shí)間，從而短路保護(hù)的峰值電流也會(huì)增加。圖10中的電流傳感器短路保護(hù)方案短路響應(yīng)時(shí)間更短，短路電流越小，回路器件的耐沖擊能量越小，主功率器件選型上越有優(yōu)勢。兩種短路保護(hù)方案比較如表3所示。

表3 兩種短路保護(hù)方案比較

由表3可知，電流傳感器短路保護(hù)方案更合理。樣機(jī)試驗(yàn)經(jīng)過不同電壓和不同的負(fù)載電流，在多種組合短路測試條件下短路模塊未損壞，從而驗(yàn)證了該短路電流抑制電路的合理性。

6 結(jié) 論

充電基礎(chǔ)設(shè)施是新能源汽車產(chǎn)業(yè)的重要支撐，是一種新型的城市基礎(chǔ)設(shè)施。隨著新能源的接入，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中起到越來越重要的作用。本文提出PCS直流母線儲(chǔ)能系統(tǒng)中多并聯(lián)變換器的母線側(cè)出現(xiàn)短路故障問題，研究了飛跨電容型三電平變換器高壓側(cè)短路后內(nèi)部電容和電池側(cè)的放電路徑。為了抑制高壓側(cè)短路電流，建立飛跨電容型三電平變換器拓?fù)淠Ｐ鸵约案邏簜?cè)短路模型，推導(dǎo)了IGBT關(guān)斷響應(yīng)時(shí)間對短路電流的限制起到?jīng)Q定性作用。提出兩種短路保護(hù)實(shí)現(xiàn)電路與設(shè)計(jì)方案，分別進(jìn)行了短路保護(hù)試驗(yàn)，驗(yàn)證電流傳感器短路保護(hù)方案更加快速和有效，對器件的選型和成本控制有實(shí)際指導(dǎo)意義。