新型IGBT驱动策略在船用直流电网短路保护中的应用

郭江荣

(宁波大学 海运学院，浙江 宁波 315211)

随着船舶电力系统的不断发展，直流电力推进系统以其节能、占用空间小、质量轻及扩展性强的优势，逐步成为船舶所有人和船厂首选的电力系统形式。但是，目前依然没有足够完美的解决直流电网短路保护问题的方案，船用直流电力系统发生短路故障时的故障电流将达到7～8倍的额定电流。[1-2]目前采用的直流电力系统中含有大量电力电子设备，7～8倍的额定电流几乎会对这些设备造成毁灭性损坏。

为解决船舶电力系统短路保护的快速性和选择性问题，基于瞬时保护的选择性保护方法及基于差动保护的选择性保护方法等多种方法[3-4]陆续被提出，其中：基于瞬时保护的选择性保护方法使用快速熔断器与断路器的工作时间差进行选择性保护，具有易于实现的优点，但对系统短路阻抗及快速熔断器动作时间的精度的依赖性较强；基于差动保护的选择性保护方法利用差动保护原理实现选择性保护，具有选择性好、动作灵敏快速的特点，但在应用和适装性上有一定的缺陷。加装短路限流装置是解决此类问题主要采用的方法之一。短路限流装置有很多种，包括快速熔断器[5]、超导限流器[6]、磁元件限流器[7]、PTC电阻限流器[8]及固态限流器等，其中：快速熔断器为单次动作降低了系统运行的自动化水平；其他装置均因基础技术尚不成熟或无法适用于直流系统而不能很好地解决该问题。使用电力电子设备[9]达到限流的效果具有一定的优势，但目前的电力电子设备只适用于母联之间的连接，用于切断故障供电区，并不能保护单个设备，且成本较高。

对此，通过优化IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)的驱动策略及短路保护动作，能在发生短路故障时迅速识别并快速切断故障，同时具有可恢复性。在MTLAB中搭建仿真模型，并搭建模拟试验平台，分析该IGBT驱动策略及短路保护动作的快速性和安全性，为进一步优化船舶直流电力系统短路保护的快速性和选择性提供参考。

1 基于IGBT的船用直流电网瞬时短路保护方案

在船舶直流电力系统中，为实现短路保护的快速性和选择性，IGBT开关是最合适的选择，基于IGBT的短路保护方案见图1。

IGBT开关主要由驱动、检测、保护和反馈电路组成，重点需解决短路检测及短路保护策略问题。

2 IGBT短路特性

IGBT的短路主要分为以下2种：

1) HSF(Hard Switching Fault)，是指在IGBT开通之前，主回路已短路，IGBT在阻抗非常低的回路中开通的状态，如上下桥臂直通。

2) FUL(Fault Under Load)，是指在IGBT已开通、工作于饱和区时，主回路发生短路的情况。

在HSF情况下，IGBT的开通过程[10]见图2，其中：VGE为IGBT门极对发射级电压；VCE为IGBT集电极对发射级电压；VCC为门极驱动电压最大值；VEE为门极驱动电压最小值；Vbus为直流母线电压。

在FUL情况下，IGBT的开通过程[11]见图3。

图2 HSF情况下IGBT的开通过程图3 FUL情况下IGBT的开通过程

3 di/dt与集电极电压VCE联合检测短路策略

根据上述IGBT短路特性，采用一种di/dt与集电极电压VCE联合检测短路策略，其原理图见图4。该策略集合传统集电极电压VCE退饱和检测与di/dt检测的优势，可更加快速、准确地检测IGBT短路状态。

di/dt与集电极电压VCE联合检测短路策略包含di/dt检测和集电极电压VCE退饱和检测2种检测方法，二者的功能在时序上是相互独立的。

首先作用的是di/dt检测。IGBT含有辅助E极AE(Auxiliary E)和功率E极PE(Power E)2个E级，其中：AE简称为E，在IGBT模块内部；而PE与主回路相连。2个E极之间存在着一个较小的寄生电感LE。在IGBT集电极电流上升过程中，LE上会产生一个上正下负的感应电势，其绝对值与集电极电流上升率di/dt成正比。在发生短路时，di/dt远超正常开通时的等级，因此通过检测LE上的感应电势，当其超过某设定的阈值时，即可判断发生短路。

在图4中，以E点为电压参考点，B点的电势为

(1)

式(1)中：VD2为D2的开通管压降；VPE为PE点电势。di/dt越大，LE上的感应电压绝对值越大，VPE越低，VB随之降低。因此，设置合理的电压阈值Vref2，使正常开通时有

VD2-VPE)>Vref2

(2)

发生短路时有

VD2-VPE)≤Vref2

(3)

开通信号一旦到来，如图3中的t0时刻，di/dt立即开始发挥作用，并在开通信号持续时间内始终发挥作用。当式(3)成立时，短路检测比较器U2即向IGBT驱动器反馈一个短路信号，否则发送状态正常信号。

集电极电压VCE退饱和检测迟于di/dt检测发挥作用。图4中，在IGBT的门极G与集电极C之间反并联一个高耐压的二极管D1，其耐压值必须高于IGBT集电极电压峰值。由前述IGBT开通过程可知，在图3中的t4时刻之后，若IGBT正常开通，应工作于饱和区，集电极电压VCE只有几伏，因此D1是正向导通的。以E为电压参考点，A点电势为

VA=VCE+VD1

(4)

式(4)中：VD1为D1的开通管压降。在HSF情况下，t4时刻后VCE将持续较高，D1反向截止，A点电压为VCC；若出现FUL情况，VCE将随IGBT退饱和而迅速升高，D1将反向截止，A点电压将升高为VCC。因此，在t4时刻之后，若检测A点电势高于某设定阈值，即可判断发生短路。

设置一个适当的电压阈值Vref1，使IGBT正常工作时有

VA

(5)

在HSF及FUL情况下有

VA≥Vref2

(6)

在IGBT开通信号到来并经过盲区时间之后，集电极电压VCE退饱和检测开始，并在开通信号持续时间内始终发挥作用。设置盲区时间是为了避免在IGBT正常开通时VCE的下降过程中产生误检测。盲区时间是从开通信号到来至集电极电压VCE下降到饱和电压VCEsat的时间，即图3中的t0～t4。在集电极电压VCE退饱和检测持续时间内，若式(6)成立，则短路检测比较器U1立即向IGBT驱动器反馈一个短路信号，否则发送状态正常信号。

di/dt与集电极电压VCE联合检测短路策略是将上述2种IGBT短路检测策略结合起来得到的，其特点主要有：

1) di/dt检测负责HSF情况和短路回路负载极小的FUL情况的短路检测。

2) 集电极电压VCE退饱和检测负责短路回路负载较大的FUL情况和电流上升率较低而使di/dt漏检测的HSF情况的短路检测。

当上述2种检测方式中的任意一种检测到短路状态时，IGBT驱动器都会收到短路信号，并立即采取保护措施，为IGBT提供最好的保护。

综上所述，di/dt与集电极电压VCE联合检测短路策略的优势在于电路结构简单、成本较低，并能更早地检测到HSF情况及短路负载极小的FUL情况，同时能全面地检测其他短路情况，确保IGBT安全工作。

4 IGBT软关断短路保护策略

在IGBT驱动器接收到短路检测电路发来的短路信号之后，需对IGBT进行关断。若直接将门极供电电压VCC切换为负电压VEE，门极电压UGE将迅速降低。由于检测到短路时IGBT处于线性区，此时集电极电流IC正在以很大的速率上升，因此集电极电压VCE将随门极电压VGE的下降而上升。之后，集电极电流IC会因门极电压VGE下降至门槛电压VGE(th)以下而以极大的速率下降，这会在短路回路寄生电感Lshort上产生一个与母线电压同向的感应电压，使集电极电压产生很高的电压尖峰，见式(7)。若不采取保护措施，则该电压尖峰很可能使IGBT发生电压击穿，即使IGBT没有直接被损坏，由于其工作在线性区，过高的电压尖峰也会使关断损耗远大于正常关断的情况，对IGBT造成损害。

(7)

为解决短路保护的关键问题——关断电压尖峰，提出一种基于门极电压控制的软关断技术。该技术的核心是缓慢降低门极电压，使IGBT集电极电流缓慢减小。较小的集电极电流变化率di/dt会降低短路回路寄生电感Lshort上产生的感应电压，从而减小关断电压尖峰。

图5为IGBT最大短路时间与门极电压间的关系曲线，可看出二者呈反比关系。在发生短路时，缓慢降低IGBT的门极电压虽然可延长关断时间，但IGBT承受短路的时间会随之增加，因此只要在最大短路时间之内将门极电压降至门槛电压VGE(th)以下，IGBT就不会损坏。软关断的实现方式见图6。在正常开通时，S1和S5导通，门极驱动电压为+15 V；在正常关断时，S3和S4导通，门极驱动电压为-15 V；在软关断时，S2和S5导通，门极驱动电压为0。当驱动器收到短路信号时，立即进行软关断。选取适当的软关断门极电阻Rst，门极电容通过Rst和RE放电，门极电压较为缓慢地下降。软关断过程持续到IGBT集电极电流IC=0，然后切换到硬关断状态，向IGBT门极加负压。

软关断技术的主要优势是在发生短路时缓慢降低集电极电流，大大减小关断电压尖峰，使IGBT免于电压击穿。此外，虽然关断时间延长，但由于电压尖峰大大减小，关断功耗随之减小。软关断技术的另一优势是可在检测到短路时立即采取保护措施，无需等待集电极电压上升至母线电压，这使得IGBT承受短路的时间更不易超过允许的最大短路时间。

5 试验验证

搭建测试平台，原理见图7，模拟在发生短路故障时IGBT的检测和保护性能。IGBT的选型为infineon的FF1000R17IE4，电容容值为9.6 mF，充电至1 000 V，先给IGBT导通信号，模拟负载侧短路，此时测得的波形见图8。

图7 测试平台原理图8 短路故障试验波形

从图8中可看出，短路检测时间约为8 μs，短路保护软关断时间约为2 μs，关断电压冲击约为100 V。电流冲击较大，但时间较短，并未对IGBT造成损伤。

6 结束语

为满足船用直流电网短路时对快速性和选择性的要求，通过研究IGBT的短路特性，提出一种di/dt与集电极电压VCE联合检测短路的策略，该策略具有电路结构简单、成本较低的优点，不仅能更早地检测到HSF情况及短路负载极小的FUL情况，还能全面检测其他短路情况，确保IGBT安全工作。为确保短路故障发生之后能快速关断电路且不产生次生危害，提出一种软关断短路保护策略，在发生短路时缓慢降低集电极电流，大大减小关断电压尖峰，使IGBT免于电压击穿。通过试验验证了该策略的可用性。

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