郭江榮

(寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院，浙江 寧波 315211)

隨著船舶電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，直流電力推進(jìn)系統(tǒng)以其節(jié)能、占用空間小、質(zhì)量輕及擴(kuò)展性強(qiáng)的優(yōu)勢，逐步成為船舶所有人和船廠首選的電力系統(tǒng)形式。但是，目前依然沒有足夠完美的解決直流電網(wǎng)短路保護(hù)問題的方案，船用直流電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時的故障電流將達(dá)到7～8倍的額定電流。[1-2]目前采用的直流電力系統(tǒng)中含有大量電力電子設(shè)備，7～8倍的額定電流幾乎會對這些設(shè)備造成毀滅性損壞。

為解決船舶電力系統(tǒng)短路保護(hù)的快速性和選擇性問題，基于瞬時保護(hù)的選擇性保護(hù)方法及基于差動保護(hù)的選擇性保護(hù)方法等多種方法[3-4]陸續(xù)被提出，其中：基于瞬時保護(hù)的選擇性保護(hù)方法使用快速熔斷器與斷路器的工作時間差進(jìn)行選擇性保護(hù)，具有易于實現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但對系統(tǒng)短路阻抗及快速熔斷器動作時間的精度的依賴性較強(qiáng)；基于差動保護(hù)的選擇性保護(hù)方法利用差動保護(hù)原理實現(xiàn)選擇性保護(hù)，具有選擇性好、動作靈敏快速的特點(diǎn)，但在應(yīng)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(dǎo)限流器[6]、磁元件限流器[7]、PTC電阻限流器[8]及固態(tài)限流器等，其中：快速熔斷器為單次動作降低了系統(tǒng)運(yùn)行的自動化水平；其他裝置均因基礎(chǔ)技術(shù)尚不成熟或無法適用于直流系統(tǒng)而不能很好地解決該問題。使用電力電子設(shè)備[9]達(dá)到限流的效果具有一定的優(yōu)勢，但目前的電力電子設(shè)備只適用于母聯(lián)之間的連接，用于切斷故障供電區(qū)，并不能保護(hù)單個設(shè)備，且成本較高。

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

1 基于IGBT的船用直流電網(wǎng)瞬時短路保護(hù)方案

在船舶直流電力系統(tǒng)中，為實現(xiàn)短路保護(hù)的快速性和選擇性，IGBT開關(guān)是最合適的選擇，基于IGBT的短路保護(hù)方案見圖1。

IGBT開關(guān)主要由驅(qū)動、檢測、保護(hù)和反饋電路組成，重點(diǎn)需解決短路檢測及短路保護(hù)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(tài)，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(qū)時，主回路發(fā)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(fā)射級電壓；VCE為IGBT集電極對發(fā)射級電壓；VCC為門極驅(qū)動電壓最大值；VEE為門極驅(qū)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(lián)合檢測短路策略

根據(jù)上述IGBT短路特性，采用一種di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測短路策略，其原理圖見圖4。該策略集合傳統(tǒng)集電極電壓VCE退飽和檢測與di/dt檢測的優(yōu)勢，可更加快速、準(zhǔn)確地檢測IGBT短路狀態(tài)。

di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)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(dú)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(nèi)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(chǎn)生一個上正下負(fù)的感應(yīng)電勢，其絕對值與集電極電流上升率di/dt成正比。在發(fā)生短路時，di/dt遠(yuǎn)超正常開通時的等級，因此通過檢測LE上的感應(yīng)電勢，當(dāng)其超過某設(shè)定的閾值時，即可判斷發(fā)生短路。

在圖4中，以E點(diǎn)為電壓參考點(diǎn)，B點(diǎn)的電勢為

(1)

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

VD2-VPE)>Vref2

(2)

發(fā)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(fā)揮作用，并在開通信號持續(xù)時間內(nèi)始終發(fā)揮作用。當(dāng)式(3)成立時，短路檢測比較器U2即向IGBT驅(qū)動器反饋一個短路信號，否則發(fā)送狀態(tài)正常信號。

集電極電壓VCE退飽和檢測遲于di/dt檢測發(fā)揮作用。圖4中，在IGBT的門極G與集電極C之間反并聯(lián)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(yīng)工作于飽和區(qū)，集電極電壓VCE只有幾伏，因此D1是正向?qū)ǖ摹Ｒ訣為電壓參考點(diǎn)，A點(diǎn)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(xù)較高，D1反向截止，A點(diǎn)電壓為VCC；若出現(xiàn)FUL情況，VCE將隨IGBT退飽和而迅速升高，D1將反向截止，A點(diǎn)電壓將升高為VCC。因此，在t4時刻之后，若檢測A點(diǎn)電勢高于某設(shè)定閾值，即可判斷發(fā)生短路。

設(shè)置一個適當(dāng)?shù)碾妷洪撝礦ref1，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(jīng)過盲區(qū)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(xù)時間內(nèi)始終發(fā)揮作用。設(shè)置盲區(qū)時間是為了避免在IGBT正常開通時VCE的下降過程中產(chǎn)生誤檢測。盲區(qū)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(xù)時間內(nèi)，若式(6)成立，則短路檢測比較器U1立即向IGBT驅(qū)動器反饋一個短路信號，否則發(fā)送狀態(tài)正常信號。

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

1) di/dt檢測負(fù)責(zé)HSF情況和短路回路負(fù)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(fù)責(zé)短路回路負(fù)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(dāng)上述2種檢測方式中的任意一種檢測到短路狀態(tài)時，IGBT驅(qū)動器都會收到短路信號，并立即采取保護(hù)措施，為IGBT提供最好的保護(hù)。

綜上所述，di/dt與集電極電壓VCE聯(lián)合檢測短路策略的優(yōu)勢在于電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，并能更早地檢測到HSF情況及短路負(fù)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(guān)斷短路保護(hù)策略

在IGBT驅(qū)動器接收到短路檢測電路發(fā)來的短路信號之后，需對IGBT進(jìn)行關(guān)斷。若直接將門極供電電壓VCC切換為負(fù)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(qū)，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(chǎn)生一個與母線電壓同向的感應(yīng)電壓，使集電極電壓產(chǎn)生很高的電壓尖峰，見式(7)。若不采取保護(hù)措施，則該電壓尖峰很可能使IGBT發(fā)生電壓擊穿，即使IGBT沒有直接被損壞，由于其工作在線性區(qū)，過高的電壓尖峰也會使關(guān)斷損耗遠(yuǎn)大于正常關(guān)斷的情況，對IGBT造成損害。

(7)

為解決短路保護(hù)的關(guān)鍵問題——關(guān)斷電壓尖峰，提出一種基于門極電壓控制的軟關(guān)斷技術(shù)。該技術(shù)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(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而減小關(guān)斷電壓尖峰。

圖5為IGBT最大短路時間與門極電壓間的關(guān)系曲線，可看出二者呈反比關(guān)系。在發(fā)生短路時，緩慢降低IGBT的門極電壓雖然可延長關(guān)斷時間，但I(xiàn)GBT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(nèi)將門極電壓降至門檻電壓VGE(th)以下，IGBT就不會損壞。軟關(guān)斷的實現(xiàn)方式見圖6。在正常開通時，S1和S5導(dǎo)通，門極驅(qū)動電壓為+15 V；在正常關(guān)斷時，S3和S4導(dǎo)通，門極驅(qū)動電壓為-15 V；在軟關(guān)斷時，S2和S5導(dǎo)通，門極驅(qū)動電壓為0。當(dāng)驅(qū)動器收到短路信號時，立即進(jìn)行軟關(guān)斷。選取適當(dāng)?shù)能涥P(guān)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(guān)斷過程持續(xù)到IGBT集電極電流IC=0，然后切換到硬關(guān)斷狀態(tài)，向IGBT門極加負(fù)壓。

軟關(guān)斷技術(shù)的主要優(yōu)勢是在發(fā)生短路時緩慢降低集電極電流，大大減小關(guān)斷電壓尖峰，使IGBT免于電壓擊穿。此外，雖然關(guān)斷時間延長，但由于電壓尖峰大大減小，關(guān)斷功耗隨之減小。軟關(guān)斷技術(shù)的另一優(yōu)勢是可在檢測到短路時立即采取保護(hù)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(fā)生短路故障時IGBT的檢測和保護(hù)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(dǎo)通信號，模擬負(fù)載側(cè)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(hù)軟關(guān)斷時間約為2 μs，關(guān)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(jié)束語

為滿足船用直流電網(wǎng)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(lián)合檢測短路的策略，該策略具有電路結(jié)構(gòu)簡單、成本較低的優(yōu)點(diǎn)，不僅能更早地檢測到HSF情況及短路負(fù)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(fā)生之后能快速關(guān)斷電路且不產(chǎn)生次生危害，提出一種軟關(guān)斷短路保護(hù)策略，在發(fā)生短路時緩慢降低集電極電流，大大減小關(guān)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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