CN104702256A - 一种高压直流断路器的igbt驱动方法 - Google Patents

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高阳
高冲
魏晓光
客金坤
杨兵建
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North China Grid Co Ltd
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Abstract

本发明公开了一种高压直流断路器的IGBT驱动方法，所述IGBT驱动方法包括选择IGBT的门极电压、确定IGBT的电流预警与保护和选择IGBT的关断方式。采用本发明的技术方案增大了IGBT的退饱和，并推迟了由于故障电流上升进入退饱区的时间，提升了IGBT的短时通流能力，进而提升了断路器的分断能力；设定多段电流保护和告警可以对让控制保护器根据断路器的过流程度做出处理；采用软关断设计方法，降低了关断时造成的反向电动势，从而可以提升了器件的电压利用率，降低了器件过压损坏风险；本发明所提驱动设计，控制简单，应用灵活，动作迅速，设备成本低，且易于扩展至拓扑和电压等级的基于IGBT的高压直流断路器。

Description

一种高压直流断路器的IGBT驱动方法
技术领域
本发明涉及一种电力电子器件，具体涉及一种高压直流断路器的IGBT驱动方法。
背景技术
随着基于电压源换流器(VSC)的多端柔性直流和直流电网技术的应用，快速直流断路器成为保证系统稳定安全可靠运行的关键设备之一。直流电流不存在自然过零点，因此直流电流的开断远比交流电流的开断困难。
开断直流断路器有三种方式，一种是在常规交流机械断路器的基础上，增加辅助电路，在开断弧间隙的直流电流上迭加增幅的振荡电流，电流过零时开断电路，这种原理制造的机械式断路器，在分断时间上无法满足多端柔性直流输电系统的要求；第二种是利用大功率可关断电力电子器件直接分断直流电流，这种原理制造的固态断路器，在时间上虽然可以满足多端柔性直流系统的要求，但在正常导通时损耗大，经济性差；第三种是采用机械开关和电力电子器件混合方式的正常运行时由机械开关通流，故障时将主支路的电流转移至并联连接的电力电子器件支路中，然后由电力电子器件分断电流。
ABB的CN102687221A号专利中介绍的断路器就属于这类方式。智能电网研究院提出的基于H桥模块级联的断路器拓扑，也属于这类方式。基于IGBT的断路器需要IGBT在直流母线过流故障时刻承受了超过IGBT的额定电流，运行区间超越了IGBT的安全工作区。如图1所示，断路器电路拓扑由三条支路并联组成：主回路是由至少一个电感，至少1个H桥模块与至少一个机械开关组成，中间支路为避雷器；转移支路上的全控器件模块由全控器件组成的H桥模块与电感串联构成。正常运行时，直流电网电流从主回路流通，当出现过流故障或收到分断指令时，电流会转移至转移支路并维持数毫秒。由此可见，转移支路的器件可能会耐受很大的故障电流，IGBT面临经受关断几千安到十几千安故障电流的考验
因此，需要提供一种针对H桥级联式的高压直流断路器来满足IGBT的要求的IGBT驱动装置。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种高压直流断路器的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT驱动方法包括选择IGBT的门极电压、设置IGBT电流的预警与保护和选择IGBT的关断方式。
优选地，所述IGBT门极电压的选择为提高的IGBT的门极电压，将门极电压的值调节在15V至20V之间。
优选地，所述设置IGBT电流的预警与保护为将所述IGBT的电流预警与保护值分为N段，N为大于0的整数。
优选地，所述IGBT的电流预警与保护值分为2段：第一段阈值和第二段阈值，所述第一段阈值小于所述第二段阈值。
优选地，所述IGBT的电流预警与保护值分为N段后，出现故障时，最后一段阈值主动关断器件，之前的几段阈值仅告警。
优选地，当IGBT的电流达到所述第一段阈值时，IGBT驱动发出预警，但不主动关断IGBT，高压直流断路器的控制保护系统根据预警采取保护措施。
优选地，当IGBT的电流到达所述第二保护阈值时，IGBT驱动主动关断器件，同时将故障信息反馈给模块控制器。
优选地，所述第二段阈值小于IGBT的退饱和电流。
优选地，所述IGBT的关断方式设计为软关断。
优选地，所述IGBT驱动设计包括IGBT过压保护的设计。
优选地，所述IGBT过压保护的过电压保护阈值为断路器动作时所述IGBT的最大电压与额定电压之间。
和最接近的现有技术比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的方法采用提高驱动门极电压方法，增大了IGBT的退饱和，并推迟了由于故障电流上升进入退饱区的时间，提升了IGBT的短时通流能力，进而提升了断路器的分断能力。
2、驱动门极电压的设定可以在不损坏器件门极的前提下，提升断路器的分断能力。
3、设定多段电流保护和告警，可以对让控制保护器根据断路器的过流程度，做出处理。
4、断路器采用软关断的方式，降低了关断时造成的反向电动势，从而可以提升了器件的电压利用率，降低了器件过压损坏风险。
5、整个驱动设计控制简单、应用灵活、动作迅速、设备成本低且易于扩展至拓扑和电压等级的基于IGBT的高压直流断路器。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
图1为本发明高压直流断路器的IGBT驱动方法所针对的拓扑；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
为了彻底了解本发明实施例，将在下列的描述中提出详细的结构。显然，本发明实施例的施行并不限定于本领域的技术人员所熟习的特殊细节。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
图1为本发明高压直流断路器的IGBT驱动方法所针对的拓扑。图中断路器电路拓扑由三条支路并联组成：主回路是由电感L、接线开工和1个H桥模块串联组成，中间支路为避雷器；转移支路由电感L1和由全控器件组成的H桥模块串联构成。H桥模块由两个带有反并联二极管的开关管串联后与电容C并联，再与两个带有反并联二极管的开关管串联的支路并联组成。正常运行时，直流电网电流从主回路流通，当出现过流故障或收到分断指令时，电流会转移至转移支路并维持若干毫秒.
针对图1中的高压直流断路器的IGBT驱动，选择IGBT的门极电压、设置IGBT电流的预警与保护和选择IGBT的关断方式。
根据IGBT的通流特性，提高IGBT相应的门极电压，确保在此门极电压下IGBT对应的退饱和电流大于断路器本支路设计可以关断的最大电流。通常在功率设备中IGBT的门极驱动开通电压是15V，本发明通过提升门极驱动电压至器件允许门极电压(通常20V)以内，以加大IGBT的退饱和电流，同时也延长了IGBT进入退饱和区的时间，因此，将IGBT门极电压的值调节在15V至20V之间。
设计N段电流预警与保护，N为大于0的整数。将故障电流分为多段保护，如2段保护，第一段阈值小于第二段阈值。电流达到第一段阈值时，驱动可以发出预警，但是不主动关断IGBT，断路器的控制保护系统可以根据第一段阈值的预警采取措施；当电流到达第二段阈值即最后一段阀值，此阈值可以设为比IGBT的退饱和电流略小。此类故障发生时，IGBT驱动主动关断器件，保护IGBT，同时将故障信息回报给模块控制器。
将IGBT的关断方式设计为软关断。软关断通过延长门极的关断过程时间，实现降低IGBT电流下降率的目的，但关断损耗较大，所以在现有的驱动里通常只在保护中使用，而断路器场合，IGBT关断次数很少，频率很低，将其每次关断均设计为软关断，可以有效降低关断电流在断路器线路电感中造成的反向感应电动势。
根据关断后自模块电容的充电电压和IGBT自身的额定耐受电压，设计IGBT过压保护，当由于子模块自身原因或各个模块关断时刻差异原因，造成某个模块电压明显高于其他模块时，驱动主动开通此IGBT，以免过压损坏。将此过压保护阈值设定在断路器动作时IGBT最大电压与器件额定电压之间。
通过以上IGBT驱动方法，发挥了IGBT的通流能力的同时，对断路器功率器件也起到了保护的作用。
采用本发明所提供的IGBT驱动方法，通过提高驱动门极电压方法，增大了IGBT的退饱和，并推迟了由于故障电流上升进入退饱区的时间，提升了IGBT的短时通流能力，进而提升了断路器的分断能力；并且驱动门极电压的设定可以在不损坏器件门极的前提下，提升断路器的分断能力；采用设定多段电流保护和告警的方式，可以对让控制保护器根据断路器的过流程度做出处理；断路器采用软关断的方式，降低了关断时造成的反向电动势，从而可以提升了器件的电压利用率，降低了器件过压损坏风险；整个驱动设计控制简单、应用灵活、动作迅速、设备成本低且易于扩展至拓扑和电压等级的基于IGBT高压直流断路器。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高压直流断路器的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT驱动方法包括选择IGBT的门极电压、设置IGBT电流的预警与保护和选择IGBT的关断方式。
2.根据权利要求1所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT门极电压的选择为提高的IGBT的门极电压，将门极电压的值调节在15V至20V之间。
3.根据权利要求1所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述设置IGBT电流的预警与保护为将所述IGBT的电流预警与保护值分为N段，N为大于0的整数。
4.根据权利要求3所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT的电流预警与保护值分为2段：第一段阈值和第二段阈值，所述第一段阈值小于所述第二段阈值。
5.根据权利要求3所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT的电流预警与保护值分为N段后，出现故障时，最后一段阈值主动关断器件，之前的几段阈值仅告警。
6.根据权利要求4所述的IGBT驱动方法，其特征在于，当IGBT的电流达到所述第一段阈值时，IGBT驱动发出预警，但不主动关断IGBT，高压直流断路器的控制保护系统根据预警采取保护措施。
7.根据权利要求6所述的IGBT驱动方法，其特征在于，当IGBT的电流到达所述第二保护阈值时，IGBT驱动主动关断器件，同时将故障信息反馈给模块控制器。
8.根据权利要求7所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述第二段阈值小于IGBT的退饱和电流。
9.根据权利要求1所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT的关断方式设计为软关断。
10.根据权利要求9所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT驱动设计包括IGBT过压保护的设计。
11.根据权利要求10所述的IGBT驱动方法，其特征在于，所述IGBT过压保护的过电压保护阈值为断路器动作时所述IGBT的最大电压与额定电压之间。
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