CN112542943A - 一种采用igbt串联结构的故障电流限制器 - Google Patents

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伍伟
李岩松
古湧乾
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Abstract

本发明公开了一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器，该故障电流限制器采用主‑从形式的IGBT串联结构，其中主控IGBT采用电流控制，通过比较负载电流和参考电流调节主控IGBT栅极电压，在短路故障状态下将系统负载电流限制在参考值。从属IGBT采用电压控制，以主控IGBT集射极电压值为从属IGBT的集射极电压基准，调节从属IGBT栅极电压，使主从IGBT集射极电压值一致，实现串联结构的电压平衡。该结构使用主控IGBT来调节短路故障中的电源电流，从属IGBT为限流器提供更大的电压和短路故障能量承受能力。使用本发明所述故障电流限制器，可以将短路故障电流限定在参考值，增加短路允许时间，在短路故障发生时有效地保护高压直流电源组件与所连负载，提高了高压直流电源系统的可靠性。

Description

一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器。
背景技术
高压直流电源在工业领域中应用广泛。由于这些电源工作在高压环境下，他们相比低压电源更容易发生短路故障。短路故障大概率是由负载电压击穿引起的。真空管作为高压直流电源系统中最重要的负载之一，不可避免地会产生短路行为。高压直流电源在短路故障下的输出可能会对负载以及高压直流电源组件造成毁灭性的损伤。因此，有必要设计一个有效的保护机制来限制在短路故障发生时高压直流电源输出的能量。
高压直流电源都具备短路故障保护系统，当短路故障发生时，故障检测系统检测到系统短路，向高压直流电源和断路器发送保护指令。随后，切断电源，断路器将电源与电网隔离。短路故障发生时的短路电流是对电源和负载造成损伤的主要因素。因此，在一些高压应用/负载中，对短路电流的值进行限制是绝对必要的。例如，当在真空管内部发生直流击穿时，会在真空管的负极上产生电弧。这种电弧通常称为真空电弧。只要短路故障电流保持在一个限定值，真空电弧就能迅速终止，达到保护系统的目的，从而提高系统的可靠性。
发明内容
针对提高高压直流电源系统可靠性的需求，本发明提供了一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器，包括串联的第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)，由控制器(Ctrl1)和电流比较器(Icom)组成的电流控制模块，由控制器(Ctrl2)、(Ctrl3)...(Ctrln)和电压比较器(Vcom2)、(Vcom3)...(Vcomn)组成的电压控制模块。第一绝缘栅双极型晶体管的发射极E与断路器(SW)和负载(R)的串联线路相连，作为故障电流限流器的输入点(M)，第n绝缘栅双极型晶体管的集电极C与高压直流电源相连，作为故障限流器的输出点(N)。第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)相互串联，第n绝缘栅双极型晶体管的发电极E与第n-1绝缘栅双极型晶体管的发电极C相连。
进一步地，所述电流控制模块中电流比较器(Icom)的输入为负载电流(Iload)、第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)以及参考电流(Iref)，参考电流(Iref)取系统正常工作时第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值，电流比较器(Icom)的输出端与第一控制器(Ctrl1)的输入端相连。第一控制器(Ctrl1)的输出端与第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极G相连。
进一步地，所述电压控制模块中第n控制器(Ctrln)的输入为第n-1个绝缘栅双极型晶体管Qn-1的集射电压值(VQn-1FB)、第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的集射电压值(VQnFB)和第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的发射极电压值(En)，第n控制器的输出端与第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的栅极G相连。
进一步地，用总线电压除以每个IGBT所能承受的最大电压可以计算IGBT串联的个数n，用IGBT所能承受的最大功率除以负载电流与IGBT承受电压的乘积计算最大允许短路时间。
本发明的有益效果为：所提供的采用主-从结构的IGBT串联故障电流限制器在电路发生短路故障期间迅速平衡每个IGBT串联上的集射电压，均衡了IGBT在短路期间的瞬时功率损失，通过调整IGBT串联的个数或者型号，在将短路电流限制在饱和值以内的同时将短路时间扩展到电源系统的最大短路能量允许的值。故使用本发明所述故障电流限制器，可以在短路故障发生时有效地保护高压直流电源组件与所连负载，提高了高压直流电源系统的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构框图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
本发明提出一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其结构如图1所示，包括串联的第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)，由控制器(Ctrl1)和电流比较器(Icom)组成的电流控制模块，由控制器(Ctrl2)、(Ctrl3)...(Ctrln)和电压比较器(Vcom2)、(Vcom3)...(Vcomn)组成的电压控制模块。第一绝缘栅双极型晶体管的发射极E与断路器(SW)和负载(R)的串联线路相连，作为故障电流限流器的输入点(M)，第n绝缘栅双极型晶体管的集电极C与高压直流电源相连，作为故障限流器的输出点(N)。第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)相互串联，第n绝缘栅双极型晶体管的发电极E与第n-1绝缘栅双极型晶体管的发电极C相连。
进一步地，所述电流控制模块中电流比较器(Icom)的输入为负载电流(Iload)、第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)以及参考电流(Iref)，参考电流(Iref)取系统正常工作时第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值，电流比较器(Icom)的输出端与第一控制器(Ctrl1)的输入端相连。第一控制器(Ctrl1)的输出端与第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极G相连。当系统正常工作时，通过比较第1个绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)和负载电流(Iload)，第一控制器(Ctrl1)调节第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极电压(Vge1)，使第1个绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)与负载电流(Iload)相等，并将此时的第1个绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)设定为参考电流(Iref)；当系统发生短路故障时，通过比较参考电流(Iref)和负载电流(Iload)，第一控制器(Ctrl1)调节第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极电压(Vge1)，强制使负载电流(Iload)和参考电流(Iref)相等，从而将短路故障时的负载电流(Iload)限制在参考电流(Iref)附近。
进一步地，所述电压控制模块中第n控制器(Ctrln)的输入为第n-1个绝缘栅双极型晶体管Qn-1的集射电压值(VQn-1FB)、第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的集射电压值(VQnFB)和第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的发射极电压值(En)，第n控制器的输出端与第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的栅极G相连。通过比较第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的集射电压值(VQnFB)和第n-1个绝缘栅双极型晶体管Qn-1的集射电压值(VQn-1FB)，第n控制器(Ctrln)调节第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的栅极电压(Vgen)，使第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的集射电压值(VQnFB)与第n-1个绝缘栅双极型晶体管Qn-1的集射电压值(VQn-1FB)相等。
进一步地，根据总线电压和每个IGBT所能承受的最大电压可以计算IGBT串联的个数n，表示为：
n＝Vbus/(kVIGBT,max)
其中，Vbus为总线电压，k为降额系数，VIGBT,max为每个IGBT所能承受的最大电压。
在确定IGBT个数n后，最大允许短路时间tsc,max表示为：
tSC,max＝ESC,IGBT,max/(IloadVIGBT,max)
其中Esc,IGBT,max为IGBT所能承受的最大短路能量，可通过IGBT说明书获得。
综上所述，本发明提供了一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器。使用这种主-从结构的IGBT串联故障电流限制器，可以在电路发生短路故障期间平衡IGBT串联上的集射电压，均衡IGBT在短路期间的瞬时功率损失，通过调整IGBT串联的个数或者型号，在将短路电流限制在饱和值以内的同时，增加短路允许时间，提高了高压直流电源系统的可靠性。

Claims (6)

1.一种采用IGBT串联结构的故障电流限制器，包括串联的第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)，由控制器(Ctrl1)、电流比较器(Icom)以及参考电流(Iref)组成的电流控制模块，由控制器(Ctrl2)、(Ctrl3)...(Ctrln)和电压比较器(Vcom2)、(Vcom3)...(Vcomn)组成的电压控制模块。
2.根据权利要求1所述的采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其特征在于，第一绝缘栅双极型晶体管的发射极E与断路器(SW)和负载(R)的串联线路相连，作为故障电流限流器的输入点(M)，第n绝缘栅双极型晶体管的集电极C与高压直流电源相连，作为故障限流器的输出点(N)。
3.根据权利要求1和2所述的采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其特征是，第1、2...n绝缘栅双极型晶体管(Q1)、(Q2)...(Qn)相互串联，第n绝缘栅双极型晶体管的发电极E与第n-1绝缘栅双极型晶体管的发电极C相连。
4.根据权利要求1和2所述的采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其特征在于，所述电流控制模块中电流比较器(Icom)的输入为负载电流(Iload)、第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值(IFB1)以及参考电流(Iref)，参考电流(Iref)取系统正常工作时第一绝缘栅双极型晶体管Q1的集射电流值，电流比较器(Icom)的输出端与第一控制器(Ctrl1)的输入端相连。第一控制器(Ctrl1)的输出端与第一绝缘栅双极型晶体管Q1的栅极G相连。
5.根据权利要求1和2所述的采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其特征是，所述电压控制模块中第n控制器(Ctrln)的输入为第n-1个绝缘栅双极型晶体管Qn-1的集射电压值(VQn-1FB)、第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的集射电压值(VQnFB)和第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的发射极电压值(En)，第n控制器的输出端与第n个绝缘栅双极型晶体管Qn的栅极G相连。
6.根据权利要求1所述的采用IGBT串联结构的故障电流限制器，其特征在于，用总线电压除以每个IGBT所能承受的最大电压可以计算IGBT串联的个数n，用IGBT所能承受的最大功率除以负载电流与IGBT承受电压的乘积计算最大允许短路时间。
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