基于IGBT的低压智能断路器动作执行模块的研究

张晨曦，李泽滔，赵忠斌

（贵州大学电气工程学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

在用电质量要求越来越高的今天，如何保证电网的安全运行，如何采用各种保护电器对电网进行必要的保护是至关重要的。在各种保护设备中，断路器作为其中重要的一员，在输配电线路的主干线、支路中具有无可替代的作用[1-3]。在生活中，人们经常遇到计算机设备的死机、运行速度变慢、乱码、主板短路，电视设备出现色彩失真、音质变调、接收效果变差等现象，这些都是电涌的积累性危害所造成的。而电涌现象的产生除了平时被人们所注意的大负荷感性负载（如空调等）脱离电源的瞬间等造成的之外，很大一部分是在断路器等开关设备开合闸过程中产生的[4-5]。

近年来，越来越多的电子半导体器件应用于各种保护电器中，其中一种基于IGBT的软开关技术被频繁的应用于低压智能断路器领域[6]。使得低压智能断路器可通过采用斩控式进行软脱扣或软启动，并且在其执行开合闸动作时，具有响应速度快，不含有低次谐波，减小二次过电压、过电流等优点。

本文采用IGBT作为低压智能断路器动作执行模块的动作执行器件，对低压智能断路器实现了软脱扣、软启动，大大降低了在开合闸时电涌对智能电器的危害，提高了电网运行的稳定性。

1 IGBT简介

从1957年第一个晶闸管的诞生，到20世纪80年代后期，以绝缘栅极双极性晶体管（Insulated-gate Bipolar Transistor , IGBT）为代表的复合型器件异军突起。电力电子器件也由之前的半控型器件发展到了现在的全控型器件，密切的推动了我国电器设备的发展[7]。IGBT属于全控型器件，其也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E，它是MOSFET和BJT的复合。它把MOSFET的驱动功率小、开关速度快的优点和BJT的通态压降小、载流能力大、可承受电压高的优点集于一身，性能十分优越，是现在电力电子技术的主导器件[8]。

2 低压智能断路器动作执行模块在MATLAB/Simulink中的建模

针对居民用户大多使用的阻感性负载，建模时采用星型连接的方式，利用6个IGBT作为动作执行器件，配以6个快恢复二极管构成了低压智能断路器动作执行模块的主电路，如图1所示，除此之外还用了3个耐压较高的无极性电容和3个一定功率的电阻。在实际电路应用中，可在每个IGBT的阳极处串联一支快速熔断器，使得IGBT的阳极电流在一定的安全许可范围内，便可对IGBT进行保护，以此达到安全性及可靠性方面的要求[9]。

图1 IGBT软脱扣的Simulink仿真电路Fig. 1 The Simulink simulation circuit of IGBT soft tripping

由于在该电路中低压智能断路器脱扣与启动的过程所用原理相似，本文以软脱扣过程为例，对该电路进行详细介绍。如图1所示的斩控式IGBT软脱扣电路，在线路处于正常运行范围时，上面三个IGBT S1，S2，S3周期性的将三相阻感性负载与三相电源接通或断开，在S1，S2，S3关断期间，负载电流通过下面三个IGBT S4，S5，S6续流，因而S1与S4、S2与S5、S3与S6的驱动信号应该互斥。为防止同一相上下两个IGBT直通，在实际电路中，S1和S4、S2和S5、S3和S6的驱动信号之间应设置一定的死区时间，仿真时为了便于设计可以忽略死区时间。耐压较高的无极性电容器C1、C2、C3用于在死区时间内为负载电流续流，电阻R1、R2、R3用来吸收电容器C1、C2、C3在死区时间里所储存的能量[10-12]。

在驱动电路中，驱动源采用脉冲宽度调制技术即PWM（Pulse Width Modulation）控制进行设计，PWM控制技术的理论基础是面积等效原理即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同[13]。通过对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形，即在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率[14]。

在仿真中，首先产生一个斜率为4，初始值为-1的斜坡信号，设定信号起始时刻为0.095 s，随后信号经由一个饱和限定，输出饱和幅值为±1的信号，将此信号与一个频率为20 kHz的三角波信号进行比较，若此信号值小于三角波的幅值，则输出为1，否则为0，并将此信号作为S1，S2，S3的控制信号，将此信号的反向值作为S4，S5，S6的控制信号。从而可以看到一个控制效果为：在设定时间内，S1，S2，S3同时逐渐关断，S4，S5，S6同时逐渐开通的过程。

为达到控制的目的，实际驱动电路的设置需要满足如下功能：① 所输出的控制信号为互补形式的两路信号，两路信号之间设置有一定的死区时间，信号电压满足开通与关断IGBT的要求，信号频率高于10倍工频；② 驱动信号的脉冲宽度可调；③ 驱动电路应稳定可靠[15]。

三相负载与电源之间采用LC三角型滤波器滤除开关动作等带来的高频噪声。由于本设计中，为三相阻感性负载没有N线，因此可采用三角型滤波器[16]。若负载为三相阻感性带N线负载，可采用星型滤波器接法，二者的区别主要在于，三角型接法要求电容两端承受较高线电压值，星型接法要求电容承受较高的相电流值，两者各有优劣，实际应用时，可根据实际情况进行选择[17-18]。

对滤波器的参数可先进行单相计算，进而由星型连接转为三角型连接。以单相为例，LC滤波器的电感参数为L，电容参数为C，则低通滤波器的截止频率由公式（1）计算，若截止频率以十分之一的IGBT开关频率为标准，即驱动电路中的三角波的载波频率20 k的十分之一为基准，应为2 k左右[19]：

实际应用中，可根据电容耐压值得不同，选择相应型号，进而确定电感的型号。在此，假定电容值为1μF，则可计算出三角型电感值为0.244 H。

对本电路进行仿真时，不需要考虑死区时间，IGBT实现软脱扣、软启动的过程可以对需要的时间进行设定。对于仿真来说，可以通过改变驱动电路中斜坡函数的斜率值对电路的开合时间进行调整，并且理论上仿真的时间可以在0至无穷大之间进行选择，时间的长短影响电压、电流波形的变化速率，时间越短，波形变化越快，幅值变化越不平滑；但在实际电路中，需要对上下两只反并连的IGBT的开通、关断时间考虑死区时间的影响[20]。在对IGBT软脱扣、软启动电路仿真过程中，负载电压、电流波形完成整个开合过程需要的时间就是与通过斜坡函数的斜率改变占空比由100%变为0的时间相同，在实际电路中，可采用主控芯片产生不同占空比的PWM驱动信号来控制时间的快慢[21]。

3 仿真结果的分析比较

3.1 对电压、电流软脱扣过程的仿真

如图2、图3所示，为低压智能断路器改进后的动作执行模块软脱扣过程中相电压、相电流的波形。通过观察可以发现，负载的电压与电流幅值从0.095 s开始进入软脱扣过程，在0.6 s内均由初始值逐渐减小至0，实现了设计之初通过对IGBT开关进行控制使电压、电流缓慢关断的过程。仿真波形平缓，达到了预期的目的。

图2 软脱扣相电压输出仿真波形Fig. 2 Simulation waveform of soft tripping phase voltage output

图3 软脱扣电流输出仿真波形Fig. 3 Soft tripping current output simulation waveform

3.2 对冲击电压、冲击电流软脱扣及瞬时脱扣过程波形分析

在对脱扣过程中的冲击电压、冲击电流进行仿真时，为使得仿真结果更加直观，本文均将50 Hz的工频信号滤除掉。

图4 软脱扣过程相电压冲击仿真波形Fig. 4 Voltage impact simulation waveform of soft tripping process

图5 瞬时脱扣过程相电压冲击仿真波形Fig. 5 Instantaneous tripping phase voltage shock simulation waveform

如图4、图5、图6及图7所示，为软脱扣与瞬时脱扣过程中的相电压、相电流的冲击波形图。经过对比可以清晰看出，瞬时脱扣过程的冲击电压是软脱扣过程中冲击电压的60倍左右，同时瞬时脱扣过程中的冲击电流时软脱扣过程中冲击电流的47倍左右。通过对脱扣装置的改进，大大降低了低压智能断路器关断时电涌对智能电器的危害，提高了系统运行的可靠性。

图6 软脱扣过程相电流冲击仿真波形Fig. 6 Soft tripping phase current impact simulation waveform

图7 瞬时脱扣过程相电流冲击仿真波形Fig. 7 Instantaneous release process phase current impact simulation waveform

3.3 对电压、电流软启动过程的仿真

在对电路进行闭合时，只需将上述控制电路中的比较部分变换设置，即Relational Operator中的比较关系反选。驱动电路即可对IGBT实现关断S4，S5，S6，开通S1，S2，S3的过程，并使得负载两端的电压、电流幅值从零平缓增大至稳定值。利用IGBT实现电路的软启动过程时，负载上的电压、电流波形如图8及图9所示，电压、电流波形在0～0.095 s以内为0，此时电路属于断电状态，0.095 s以后，经过大约0.6 s的时间，电压、电流波形的幅值由0平缓增大至稳定值。从而实现了设计之初通过对IGBT开关进行控制使电压、电流缓慢开通的目的。

图8 IGBT软启动相电压输出仿真波形Fig. 8 IGBT soft start phase voltage output simulation waveform

图9 IGBT软启动相电流输出仿真波形Fig. 9 IGBT soft start phase current output simulation waveform

3.4 对冲击电压、冲击电流软启动及瞬时启动过程波形分析

与脱扣过程一样，在对启动过程中的冲击电压、冲击电流进行仿真时，为使得仿真结果更加直观，同样均将50 Hz的工频信号滤除掉。

如下图10、图11、图12及图13所示，为软启动与瞬时启动过程中的相电压、相电流的冲击波形图。同软脱扣一样，软启动过程中的冲击电压、与冲击电流的大小，均比瞬时启动过程中，冲击电压与冲击电流的大小有明显的减弱。达到了设计之初，通过控制IGBT来减少对用电设备冲击的目的。

图10 IGBT软启动过程相电压冲击仿真波形Fig. 10 IGBT soft start process phase voltage impact simulation waveform

图11 IGBT瞬时启动过程相电压冲击仿真波形Fig. 11 IGBT instantaneous start process phase voltage impact simulation waveform

图12 IGBT软启动过程相电流冲击仿真波形Fig. 12 IGBT soft start process phase current impact simulation waveform

图13 IGBT瞬时启动过程相电流冲击仿真波形Fig. 13 IGBT instantaneous start process phase current impact simulation waveform

4 结语

通过对电涌危害的了解，针对在检修过程中开合闸产生的电涌对家庭用电设备的冲击，本文对低压智能断路器的动作执行模块提出了改进方法，并通过MATLAB/Simulink进行了仿真分析，结果显示改进后的动作执行模块在开合闸过程中产生的冲击对家庭用电设备伤害大大减小，达到了预期的目的。在具有大负荷设备的工厂中，直接断电产生的电涌危害无法想象，对工厂造成无法估计的损失。本文所提出的对低压智能断路器动作执行模块的改进办法为应用到具有大负荷设备的工厂中提供了理论依据和实用价值。

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