限流式固态断路器及其实验装置研制与应用

卢其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083)

限流式固态断路器及其实验装置研制与应用

卢其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中国矿业大学(北京) 机电与信息工程学院, 北京 100083)

开发了一套基于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)并联的限流式固态断路器,并以此为基础设计了一套电力电子器件及固态断路器测试实验装置。该实验装置可实现MOSFET的稳态和动态均流特性测试、二极管反向击穿电压测试、MOSFET的关断能量损耗测试等实验,还可验证固态断路器在防止越级跳闸及降低电气火灾隐患等方面的功能。该实验装置有利于加深学生对MOSFET、二极管相关电气特性以及基于电力电子器件的固态断路器的理解,提高学生综合运用专业知识的能力。

固态断路器； 实验装置； MOSFET； 电气特性

电力电子技术在新能源发电、直流输电、电能储存、电机系统节能、工业电机驱动、电能质量控制、智能电网建设、船舶电力推进、现代国防设备、家用电器等方面得到了广泛的应用[1-8]。电力电子技术课程作为电气工程专业的一门专业必修课也发挥着越来越重要的作用。电力电子技术一般包括电力电子器件、电力电子装置、系统与控制[9]等方面的内容,而电力电子器件是电力电子技术的基础,深入了解电力电子器件的电气特性对于学生提高电力电子技术应用能力至关重要。经调研发现,当前我国主流的面向电气类大学生的电力电子技术课程配套实验装置缺少对电力电子器件特性测试的实验,在实际应用条件下进行相关测试的实验设备则更少,这不利于提高学生理解和应用电力电子器件的能力。为此,开发了一套基于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)并联的限流式固态断路器,并以限流式固态断路器为核心设计了一套电力电子器件及固态断路器测试装置,利用该装置可进行MOSFET的静态和动态均流特性实验、二极管反向击穿电压测试实验、MOSFET的关断能量损耗测试实验,还可进一步验证固态断路器在防止越级跳闸、降低电气火灾隐患方面的作用。通过这些实验,学生可深入理解MOSFET的相关电气特性以及固态断路器的相关知识,对于提高学生综合运用专业知识的能力具有重要的促进作用。

1 装置构成及工作原理

固态断路器实验装置框图见图1,其输入电压为交流220 V,主要包括固态断路器TR、空气开关(QF1和QF2)、转换开关SQ、短路电阻R1、阻性负载R2、接触器T以及示波器。负载R2为固态断路器的负载,R1为短路电阻,R1=0.01 Ω。转换开关SQ可手动将负载与固态断路器TR支路或者空气开关QF2支路相连以进行相关测试。图2为限流式固态断路器的原理框图,其主开关由10个型号为IRFP460的MOSFET并联为一组,然后由两组MOSFET反向串联实现。

图1 固态断路器实验装置框图

图2 固态断路器原理框图

1.1 硬件设计

固态断路器的硬件设计包括主开关电路、控制电路、驱动电路和调理电路的设计。主开关电路由10个IRFP460并联成一组,然后两组再反向串联构成。控制器采用TI公司的TMS320F28035。以TLP250光耦为核心组成驱动电路。电压和电流检测调理电路分别如图3和图4所示，图中Vref为基准电压。目的在于将电压、电流互感器的交流采样信号Vin1和Vin2调理至0～3 V,以满足DSP中A/D采样电压范围的要求。2个检测电路的输入输出电压关系分别为:

(1)

(2)

图3 电压检测电路

图4 电流检测电路

短路时,由于电流增长迅速,为了提高保护速度,采用如图5所示的硬件电流比较电路。图5中阈值Vmax和Vmin分别对应正弦波正半周和负半周时的电流保护阈值。当电流采样信号大于Vmax或者小于Vmin时,电路输出低电平到DSP的I/O端口,DSP接收到信号后,直接发出关断MOSFET信号。

1.2 软件设计

软件的任务是实时检测电路的电压、电流等参数,计算电压、电流的有效值并用数码管显示,以及根据预先设定的电流保护阈值决定是否控制MOSFET动作。主程序流程见图6,当控制器检测到交流输入电压的过零点时开始一个工频周期的信号采集,利用定时器定时触发A/D转换器,采样电压和电流的数值,并记录采样点的个数。根据一个工频周期内的采样数据和采样点数量,计算得到电压和电流的有效值并进行判断。当电流达到过载值且持续一定的时间后,控制器发出关断MOSFET的信号；当发生短路故障时,速断MOSFET,无论过载还是短路故障发生后,都需等待人工处理,防止故障进一步扩大。图7为所研制的固态断路器电路板及样机。

图5 电流比较电路

图7 固态断路器的电路板及样机

2 实验方案

按照图1设计的实验装置见图8。图1中的接触器T、示波器和负载R2需单独接线,利用该实验装置可进行以下实验。

图8 实验装置

2.1 MOSFET稳态和动态均流特性测试实验

当多个MOSFET并联时,若某个MOSFET的电流增大,该MOSFET相对于其他MOSFET温度会升高,由于MOSFET的正温度系数特性,其电阻增大,电流会减小,从而实现自动均流效果[10-11]。图9为IRFP460规格书中导通电阻RDS(on)随结温TJ变化的曲线,可以看出导通电阻与结温成正比。当选取同型号、同批次且内部参数分散性小的MOSFET、并联安装在同一个散热片上时,可实现较好的均流效果。

图9 IRFP460导通电阻随结温变化的曲线

测试MOSFET稳态均流特性的实验方法:控制转换开关SQ位置,使负载支路与固态断路器TR支路连接,闭合QF1,断开接触器T和QF2,启动固态断路器,用示波器观察并记录MOSFET各支路的电流波形以及回路总电流io的波形。

测试MOSFET动态均流特性的实验方法:当固态断路器正常工作时,闭合接触器T,使固态断路器处于短路状态。由于短路后,电流迅速上升并达到固态断路器限流保护值,MOSFET关断。利用示波器测量负载突变后各MOSFET的电流波形以及回路总电流io的波形,可观察到MOSFET的动态均流特性。图10(a)和(b)分别为MOSFET稳态和负载突变情况下的均流效果波形图,受示波器探头数量的限制,图中只给出了3个MOSFET支路的电流波形图,分别为io1、io2和io3。从波形图可以看出,无论在稳态还是在负载突变情况下,各MOSFET支路的电流波形及大小基本一致,都具有良好的均流效果。

图10 MOSFET稳态和动态均流特性实验电流波形图

通过该实验装置测试MOSFET的稳态和动态均流效果,有助于学生理解MOSFET静态正温度系数特性及MOSFET并联后的均流特性。

2.2 二极管反向击穿电压测试实验

图11为MOSFET(IRFP460)达到限流值IDM关断时的电压、电流波形测试图。从图中可看出,当电流增大并超过IDM后,MOSFET关断,其两端电压uds迅速上升,最终被钳位在反向击穿电压VBR,从IRFP460规格书中可以查到其VBR为500 V,而经本实验测得其VBR约为530 V左右。通过该方法测试二极管的反向击穿电压,可提高学生对二极管伏安特性的理解,并认识到寄生二极管对MOSFET具有一定的电压保护作用。

图11 关断时MOSFET的电压电流波形

2.3 MOSFET的关断能量损耗测试实验

MOSFET寄生二极管的PN结反向偏置且电压不断上升时,其空间电荷区的电场也随之不断增强,当电场强度升高到一定程度时,会引起空间电荷区中自由载流子密度雪崩式倍增,称之为雪崩击穿现象[13]。当其能量集聚,达到或超过雪崩击穿能量EAS时,MOSFET将出现损坏[14]。

当发生短路时,MOSFET关断,uds超过其寄生二极管的VBR后,二极管被击穿,电流将从MOSFET转移至寄生二极管,寄生二极管将承受大部分短路电流。如果该短路电流较大且承受时间tf较长,那么通过寄生二极管的能量有可能超过其雪崩击穿能量EAS,从而导致MOSFET损坏。为了验证该能量是否超过雪崩击穿能量EAS,可通过图11的波形图估算各寄生二极管的损耗Eon,计算公式为

(3)

其中,N为并联MOSFET的数量。

将计算得到的损耗Eon与规格书中IRFP460的单次雪崩能量EAS列于表1,可以看出损耗Eon小于单次雪崩能量EAS。因此,当并联10个MOSFET时,即使该电路不加任何过压保护也不至于损坏MOSFET,实验结果也证明了这一点。若希望进一步提高对MOSFET的保护效果,可通过增加过电压抑制电路来实现:比如在MOSFET两端并联阻容吸收电路或者压敏电阻,保证MOSFET关断时,其两端电压小于VBR,这样关断时电流就不会通过MOSFET的寄生二极管,从而避免出现雪崩击穿现象。

表1 雪崩能量EAS与损耗Eon对比

该实验可帮助学生掌握计算MOSFET关断时流过的能量,并对MOSFET关断时损坏的原因进行分析。

2.4 防止越级跳闸实验

越级跳闸是指供电系统中发生故障时,超出故障线路以外的上级开关发生跳闸停电,导致非故障线路停电,致使故障停电影响范围扩大的现象[15]。

利用该实验装置进行越级跳闸测试时,将图1中的转换开关SQ接通负载支路与QF2支路,闭合空气开关QF1、QF2,断开固态断路器TR,令接触器T闭合。此时线路处于短路状态,尽管QF1的电流等级要大于QF2,但是实际中由于QF1和QF2的关断速度较慢且不一致,往往导致它们都会跳闸,出现越级跳闸现象,扩大了事故范围。

当上级采用机械式断路器QF1,而下一级采用固态断路器TR,即利用转换开关SQ接通负载与TR支路,闭合QF1、TR,断开QF2,并将T闭合短路后,由于固态断路器的快速断电特性,不会引起上级断路器QF1跳闸。

该实验可帮助学生理解固态断路器的快速断电特性在防止越级跳闸中的作用。

2.5 降低电气火灾隐患实验

当线路中出现短路故障时,及时切断短路电流能有效降低电气火灾隐患[16]。但是由于空气开关断开时间相对较长,从短路到断开这段时间里,在短路点已经积聚了较大能量,一旦周边有易燃物,很可能会引起火灾。而固态断路器由于断开速度快,可以有效避免上述问题的发生。通过下述实验可进行对比验证:在放置实验装置的短路观察室中,将较细的零线和火线拧在一起,并在周围放置棉花,带上较大的负载,细线发热最终导致短路。图12为利用断路器QF2进行短路保护的实验结果,显然燃烧室中的棉花被引燃。图13为利用固态断路器进行短路保护的实验结果,由于固态断路器保护速度快,能量集聚较小,仅有微小的火花,并迅速消失,且棉花没有被引燃。

该实验可帮助学生理解固态断路器的快速断电特性对于防止电气火灾的作用。

图12 采用机械式断路器实验效果图

图13 采用固态断路器防火效果实验图

3 总结

本文开发了基于MOSFET并联的限流式固态断路器,给出了软硬件的总体实现方式,并以此为基础,设计了一个电力电子器件及固态断路器测试实验装置。利用该实验装置,可进行MOSFET的稳态和动态均流特性实验、二极管反向击穿电压测试实验、MOSFET关断能量损耗的测试实验；同时可以验证快速断电在防止越级跳闸、降低电气火灾隐患方面的作用。文中还给出了利用该实验装置进行上述实验的方法和步骤。

尽管利用本文所开发的实验装置进行相关实验时得到的电气参数与标准实验方法可能不完全一致,例如:二极管的反向击穿电压测试实验,MOSFET的稳态和动态均流实验。但该实验装置可以让学生在实际应用中去测量MOSFET的相关电气参数,深入理解和应用电力电子器件,了解固态断路器与机械断路器的区别。该实验装置不仅有利于激发学生们的学习兴趣,还可以提高其综合运用专业知识解决实际问题的能力。

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Development and application of current-limiting solid-state circuit breaker and its experimental device

Lu Qiwei, Lei Ting, Gao Zhixuan, He Bangbang

(School of Mechanical Electronicand Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

A current-limiting solid-state circuit breaker based on the MOSFET parallel is developed. On the basis of this, a set of the power electronic device and the experimental device for the solid-state circuit breaker test are designed. This experimental device can realize the experiments for the MOSFET steady-state and dynamic current sharing characteristic test, the diode reverse breakdown voltage test, the MOSFET shutdown energy loss test, etc. It can also be used to verify the functions of the solid-state circuit breaker in preventing the leapfrog trip, reducing the hidden danger of electric fire, etc. The characteristics of the experimental device are that the related tests can be carried out under the conditions of practical application, which is helpful to deepen the students’ understanding of MOSFET, the diode related electrical characteristics and the solid-state circuit breakers based on power electronic devices so as to improve the students’ ability to use the professional knowledge comprehensively.

solid-state circuit breaker; experimental device; MOSFET; electrical characteristics

TM561;G484

: A

: 1002-4956(2017)09-0076-06

2017-03-08修改日期:2017-05-19

2015年北京高等学校教育教学改革项目“煤矿机电类本科专业虚拟仿真实践教学体系建设”(2015-ms120)

卢其威(1976—),男,河北石家庄,博士,副教授,从事电力电子与电力传动、电气安全等领域的教学与研究.

E-mail:lqw@cumtb.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.020