逆變電源抗igb的限流策略研究

逆變電源抗igb的限流策略研究

在不同的能源裝置中，逆變電源是應(yīng)用最廣泛的。在直接d-ac轉(zhuǎn)換或間接d-ac轉(zhuǎn)換的情況下，需要逆變電源。根據(jù)其應(yīng)用場合,逆變電源大致可分為三大類:①應(yīng)用于電力系統(tǒng)的的各種電力系統(tǒng)補(bǔ)償控制器,如統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)、超導(dǎo)體儲(chǔ)能系統(tǒng)(SEMES)等;②應(yīng)用于各種交流電機(jī)的高性能調(diào)速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),如各類同步電機(jī)、異步電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等;③以輸出高品質(zhì)電能為目標(biāo)的交流穩(wěn)定電源,如UPS、艦船用獨(dú)立電源等。作為交流穩(wěn)定電源使用的逆變電源,除了具有比較好的性能指標(biāo)外,還應(yīng)具有比較高的可靠性,能適應(yīng)多種負(fù)載狀況,既具有故障保護(hù)的功能,又不會(huì)因?yàn)樨?fù)載沖擊而頻繁關(guān)機(jī)。沖擊型負(fù)載有很多,典型的有:空載變壓器、電動(dòng)機(jī)、整流型沖擊負(fù)載,還有由于負(fù)載故障造成的短路情況,這些負(fù)載都會(huì)造成很大的沖擊電流。對于沖擊型負(fù)載,逆變電源短時(shí)間內(nèi)過流,之后又恢復(fù)正常,這期間逆變電源保護(hù)裝置非常容易誤動(dòng)作,造成不必要的停機(jī)。如何在短時(shí)間內(nèi)限制逆變電源輸出電流,又不會(huì)使逆變電源過載保護(hù)停機(jī),是一個(gè)值得研究的問題。本文首先論述了逆變電源IGBT的短路耐受能力的概念,分析了基于集電極-發(fā)射極電壓檢測的IGBT短路保護(hù)電路,并對三相逆變電源的短路模式和保護(hù)方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。針對逆變電源工程應(yīng)用中抗短路沖擊的需求,提出了硬件限流電路和軟件限流環(huán)相結(jié)合的限流策略,并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該策略的有效性。1動(dòng)電壓vge一定時(shí)集電極-發(fā)射極電壓逆變電源的主要工作器件是IGBT(絕緣門極雙極型晶體管),因此逆變電源的抗短路沖擊能力只取決于IGBT器件的容量和短路耐受能力。IGBT的符號(hào)和輸出特性如圖1所示。IGBT的輸出特性是驅(qū)動(dòng)電壓VGE一定時(shí)集電極電流IC與集電極-發(fā)射極電壓VCE的函數(shù)關(guān)系:圖1中,VGE=0的曲線對應(yīng)于IGBT處于斷態(tài)。VGE為定值時(shí),在線性導(dǎo)電區(qū)Ⅰ,VCE增大,IC增大。在恒流飽和區(qū)Ⅱ,對于一定的VGE,VCE增大,而IC不再隨VCE而增大。在VCE為負(fù)值的反壓下其特性曲線類似于三極管的反向阻斷特性。短路發(fā)生時(shí),IGBT的集電極電流IC增加到超過既定值,則集電極-發(fā)射極電壓VCE急劇增加。IGBT的短路耐受能力由短路電流開始流動(dòng)到引起器件破壞為止的時(shí)間決定,其測試電路和波形如圖2所示,短路耐受能力(Pw)代表著一定時(shí)間內(nèi)IGBT器件所能承受的最大熱量。2igbt短路保護(hù)電路根據(jù)上節(jié)分析可知,當(dāng)IGBT集電極電流IC增大超過安全值時(shí),集電極-發(fā)射極電壓VCE會(huì)迅速增加,因此可以利用該特性對IGBT實(shí)施短路保護(hù)。對VCE進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測,當(dāng)其VCE大于設(shè)定值時(shí),在驅(qū)動(dòng)電路側(cè)迅速撤除驅(qū)動(dòng)信號(hào),從而達(dá)到保護(hù)的功能。圖3是一典型的基于VCE檢測的IGBT短路保護(hù)電路。該電路通過D1對IGBT的集電極-發(fā)射極電壓VCE進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,當(dāng)導(dǎo)通時(shí)段中VCE超過穩(wěn)壓管D2的電壓時(shí)即作為短路狀態(tài)被檢測出來,此時(shí)T1開通,T2關(guān)斷,T3關(guān)斷。則IGBT門極存儲(chǔ)的電荷通過電阻RGE緩慢放電,對IGBT形成了保護(hù),同時(shí)也避免了IGBT關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生過大的尖峰電壓。這種短路保護(hù)電路廣泛應(yīng)用于驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品中,如日本富士公司的EXB840、841產(chǎn)品系列(適用于1200V/400A內(nèi)的IGBT),瑞士CONCEPT公司的1SD418F2、1SD536F2產(chǎn)品系列(適用于1700V/3600A、3300V/1500A等大功率IGBT)。需要指出的是作為集成在驅(qū)動(dòng)電路中的這種短路保護(hù)電路雖然能起到保護(hù)的作用,但當(dāng)短路故障點(diǎn)無法消除時(shí),必須通過其他檢測途徑使控制系統(tǒng)不再發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào),使IGBT及時(shí)關(guān)斷,從源頭上阻止短路的發(fā)生。3電流和電流檢測點(diǎn)設(shè)置方法以三相逆變電源為例,逆變電源的短路模式及其故障原因分析如表1所示,在短路模式的示意圖中,用箭頭指明了短路電流的方向。根據(jù)表1中逆變電源各短路模式下短路電流的路徑可以設(shè)置如圖4所示的電流檢測點(diǎn):(a)直流電容電流檢測;(b)正負(fù)母線電流檢測;(c)IGBT電流檢測;(d)負(fù)載側(cè)電流檢測。檢測點(diǎn)設(shè)置在a點(diǎn)、b點(diǎn)和c點(diǎn)均可以對上述4種模式的短路進(jìn)行檢測,d點(diǎn)可以對模式3和模式4的短路進(jìn)行檢測。在逆變電源實(shí)際電路中,由于直流電容接線一般較短,不便于設(shè)置電流傳感器,同時(shí)在b點(diǎn)設(shè)置電流檢測可以反映逆變電源直流輸入電流,因此a點(diǎn)和b點(diǎn)相比,更傾向于電流檢測設(shè)置在b點(diǎn)。電流檢測設(shè)置在c點(diǎn)雖然可以反映出最真實(shí)的流過IGBT的電流大小,但其數(shù)量和IGBT的個(gè)數(shù)相同,在實(shí)際系統(tǒng)中極少采用。在d點(diǎn)負(fù)載側(cè)設(shè)置電流檢測在實(shí)際系統(tǒng)中經(jīng)常使用。在設(shè)置了電流檢測點(diǎn)后,當(dāng)檢測到的電流大于保護(hù)設(shè)定值時(shí),就由控制系統(tǒng)發(fā)出IGBT驅(qū)動(dòng)封鎖信號(hào),從源頭上阻止了短路的發(fā)生。4逆變電源硬件限流控制逆變電源作為交流穩(wěn)定電源使用時(shí),根據(jù)用戶需求,要求其具有一定的抗短路沖擊能力,即在負(fù)載側(cè)發(fā)生短路故障的瞬間逆變電源能正常運(yùn)行,隨后將輸出電流限定在一個(gè)較大的數(shù)值并維持一定時(shí)間,保證配電支路的熔斷器熔斷或配電開關(guān)跳閘,在故障消除之后逆變電源又恢復(fù)正常,在整個(gè)過程中逆變電源能正常運(yùn)行而不停機(jī)。上述過程也被稱為短路限流過程,一般來說由硬件限流和軟件限流2個(gè)階段組成:第一階段,短路故障發(fā)生的瞬間,逆變電源的輸出電流急劇增大,通過硬件限流電路使輸出短路電流限定在一個(gè)固定的范圍內(nèi),同時(shí)保證逆變電源不保護(hù)停機(jī)。第二階段,控制系統(tǒng)檢測到急劇上升的輸出電流,將輸出控制由電壓閉環(huán)控制切換為電流閉環(huán)控制,控制系統(tǒng)迅速降低逆變電源輸出電壓,并維持一個(gè)恒定的輸出電流。圖5是一個(gè)典型的逆變電源硬件限流電路,其中采用的電流檢測I_IN可以是圖4分析中的b點(diǎn)的直流母線電流,也可以是d點(diǎn)的輸出電流。I_IN經(jīng)過運(yùn)放整流電路后得到正值,然后進(jìn)入滯環(huán)比較電路,其輸出特性如圖6所示。當(dāng)電流大于設(shè)定值V1時(shí),封鎖IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖,使其關(guān)斷,通過反向二極管續(xù)流使逆變電源輸出電流降低,當(dāng)電流降低到設(shè)定值V2以下時(shí),自動(dòng)解除驅(qū)動(dòng)脈沖的封鎖。滯環(huán)電路具有較強(qiáng)的抗干擾性,能有效降低IGBT硬件限流的動(dòng)作次數(shù)。根據(jù)圖5的電路,當(dāng)R2=R3時(shí),可以得到比較器的輸入為I_IN,比較點(diǎn)V1和V2分別為:通過式(2)和式(3),可以選擇合適的硬件限流值和釋放值,以期與最終的軟件限流值匹配。圖7顯示了軟件限流的控制過程。當(dāng)短路故障發(fā)生時(shí),限流判斷機(jī)制將PID控制器的輸入由電壓誤差切換為電流誤差,在短路剛開始時(shí),短路電流遠(yuǎn)大于給定值,電流誤差為負(fù)值,因此PID控制器的輸出將迅速降低,逆變電源的輸出電壓隨之減小,直至短路電流等于電流環(huán)的給定值。從發(fā)生短路故障到軟件限流控制起作用將會(huì)需要半個(gè)到一個(gè)周波的時(shí)間(即10～20ms),在這期間必須要依賴硬件限流電路將IGBT的電流迅速降低,使電壓閉環(huán)控制平穩(wěn)地切換到電流閉環(huán)控制。5短路電流在逆變電源的d對1臺(tái)額定功率為450kW的三相逆變電源進(jìn)行了短路限流試驗(yàn)。該逆變電源輸出短路時(shí)采用硬件限流電路和軟件限流環(huán)相結(jié)合的方法,硬件限流電路電流采樣采用的是負(fù)載側(cè)電流(圖4中d點(diǎn)),軟件限流值設(shè)定為1400A。逆變電源的運(yùn)行條件為:輸出三相AC390V,輸出約130A,短路故障模式為輸出三相短路和B和C相間短路。圖8和圖9的試驗(yàn)結(jié)果表明,在短路發(fā)生的初始半個(gè)到一個(gè)周波內(nèi)(即10～20ms),短路電流迅速上升,在該時(shí)間段內(nèi),由于硬件限流電路的封鎖和釋放作用,電流波形呈現(xiàn)鋸齒狀,之后軟件限流的控制作用明顯,電流恢復(fù)正弦性,進(jìn)入穩(wěn)定的電流閉環(huán)控制。在試驗(yàn)結(jié)果中還可以看出,短路發(fā)生后約200ms,短路故障點(diǎn)消除,此后逆變電源電壓進(jìn)入恢復(fù)階段,在整