高压固态断路设备均压技术研究

高压固态断路设备均压技术研究
发表时间：2019-06-26T11:11:21.873Z 来源：《电力设备》2019年第1期作者：李学军
[导读] 摘要：随着经济在快速的发展，社会在不断的进步，高压直流输配电系统是解决可再生能源大规模接入的重要途径，而高压直流断路器已成为直流电网发展的瓶颈问题。

（内蒙古电力(集团)有限责任公司阿拉善电业局内蒙古阿拉善盟阿左旗巴彦浩特镇 750300）
摘要：随着经济在快速的发展，社会在不断的进步，高压直流输配电系统是解决可再生能源大规模接入的重要途径，而高压直流断路器已成为直流电网发展的瓶颈问题。

传统的机械式断路器在断开负载时响应时间长、易产生电弧及寿命短，难以满足HVDC系统的速动性和可控性要求。

研究基于SiC-MOSFET串并联的固态高压直流断路设备，深入分析其工作特性以及寄生参数对开关过程的影响，提出一种适用于SiC-MOSFET的改进型动态有源门极钳位网络，并通过仿真和试验验证了可行性。

关键词：高压断路器；机械式断路器；高压固态断路设备；均压技术
引言
高压直流(HVDC)输配电系统是解决可再生能源大规模接入的重要途径，而高压直流断路器己成为直流电网发展的瓶颈问题。

传统的机械式断路器在断开负载时开断时间长，易产生电弧，寿命短，难以满足HVDC系统的速动性和可控性要求。

本文介绍了基于半导体器件串并联的固态高压直流断路器和混合式高压直流断路器断路器，对固态断路器中的关键部件一一高压固态开关进行深入研究。

1高压直流断路器的研究意义
电力电子技术的进步，推动了直流电力系统的迅速发展[1]。

目前，在地铁和列车等机车牵引供电系统、大城市供电、分布式可再生能源接入[2]以及长距离输配电等方面，直流电力系统应用日益增多。

同交流电力系统相比，直流电流没有自然过零点且故障发生时短路电流上升速度快，故直流电力系统中故障难以切除，研制可靠性高的高压大容量直流断路器己成为制约直流电力系统进一步发展和应用的迫切需要。

在直流输配电领域，电压源换流器(vsc)技术可以独立控制每个终端有功和无功功率，操控灵活，近年来受到广泛关注和研究。

相对于传统的双端直流输电系统，基于VSC技术的多端高压直流输电系统，所需换流器更少，成本更低，同时换流器间的功率变换也更为灵活，单点故障对系统造成的影响大幅度降低，稳定性更高，因此成为了解决大城市供电、分布式新能源大规模接入以及大容量长距离输电的有效途径。

为了维持VSC-HVDC的直流母线电压稳定，常采用大电容进行滤波，因此当系统发生短路故障时，短路电流迅速上升，直流母线电压在几毫秒内就会跌至额定电压的80%以下，进而影响电压源换流器以及系统中其他设备的正常工作。

作为系统中的关键设备，高压直流断路器起着控制和保护双重作用，必须在极短的时间内迅速切除故障，保证高压直流电网的高效性、稳定性和可控性。

2寄生参数影响分析
2.1并联结构分析
在电路寄生参数中，开关器件漏极寄生电感Ld和源极寄生电感LS是影响并联结构不均流的主要因素。

图1为考虑寄生电感时的2个SiC-MOSFET并联结构图。

其中，Ld（Ld1和Ld2和）和LS（LS1和LS2和）包含了PCB上的布线电感和SiC-MOSFET的引脚电感。

当并联的数量较多时，很难实现对称布局，此时线路寄生电感的影响将会非常明显。

图1 存在寄生电感时SiC-MOSFET并联结构图
在此，取Ld1=Ld2=20nH，LS1=LS2=10nH，Q1与Q2开通和关断过程漏极电流。

在寄生电感存在下，开通瞬态流过并联器件的电流id1（t）和id2（t）有短暂震荡，但是完全同步；关断瞬态，流过并联器件的电流id1（t）和id2（t）略有过冲，但也同步。

可见，当寄生参数相同时，流过每个并联器件的电流相。

图2寄生电感参数相同时漏极电流id（t）仿真波形图。

2.2串联结构分析
串联结构中，各器件动态不均压主要由线路的寄生参数引起。

尽管器件漏极寄生电感Ld和源极寄生电感LS都会影响开关瞬态的电压过冲，但可通过等间距对称布局降低影响。

相比之下，分布电容对串联器件的电压均衡影响则更为显著。

因此，重点探讨电路中各点对地分布电容对串联器件均压效果的影响。

2.3串并联均压方案
其中，DTVS为瞬态抑制二极管，DF为快恢复二极管。

当MOSFET关断时的D-S电压uds（t）达到钳位电路设定的电压值，电流通过钳位支路流进MOSFET的门极，延长漏源极电压上升区段时间，增大MOSFET的关断损耗，能量消耗在钳位支路的电阻、TVS管和MOSFET中。

此网络对Si级的电压过冲有明显的吸收效果。

然而，SiC器件的开关速度比Si器件要快很多，要求钳位保护电路具备更快的响应速度，以吸收关断时电压过冲。

传统的门极钳位网络反应速度慢，对于SiC-MOSFET电路，其均压效果大打折扣，提出了一种更为快速的钳位均压网络。

在关断瞬态，当SiC-MOSFET的D-S
电压超过设定值时，瞬态电流流入钳位支路，并分为i2和i3，i2经过二极管DB流入MOSFET的门极，令其工作在漏源极电压上升区段；i3流过电阻RD和电容CD，相对于传统的钳位网络可更加快速地吸收关断时漏源极电压尖峰。

3仿真和实验
在Saber仿真软件中建立如图2所示电路模型，其中，电源电压选择400V，CDAC=470pF，电阻RDAC=36Ω。

电阻RD=10Ω，电容CD=3nF。

为了快速响应，二极管DB和DD采用肖特基二极管。

图3为添加动态有源钳位网络前后Q1漏源极电压波形。

图2 改进型动态有源门极钳位网络拓扑
图3 添加DAC网络拓扑前后uds（t）仿真波形图
图3中，u0（t）为未加DAC网络时功率器件关断时的漏源极电压uds（t）波形，uDAC（t）为添加DAC网络后功率器件关断时的漏源极电压uds（t）波形。

可以看出，未添加DAC网络时，关断时开关管uds（t）过冲至680V，高出电源电压280V；添加DAC网络后，关断时uds（t）过冲至410V，电压过冲明显降低。

进一步对DAC网络进行单管试验验证，实验条件为直流电压400V，负载电阻200Ω，DAC网络参数与仿真相同。

可以看出，未加DAC网络时，关断瞬态漏源极电压uds（t）过冲至893V；添加DAC网络后，关断瞬态，电压过冲被DAC 支路快速钳位，能量消耗在TVS管、钳位支路电阻和SiC-MOSFET关断损耗中。

可以看到，G-S电压在关断瞬态电压有过冲时被提高，增大了器件的关断时间，减慢了关断速度，并将能量消耗在关断损耗中，同时RD和CD支路快速吸收电压过冲，加快了钳位支路的反应速度，此时关断瞬态漏源极电压uds（t）过冲为560V，明显降低。

结语
本文对基于新型SiC串并联的高压固态开关的工作方式进行了探讨，重点研究了寄生参数对固态开关特性的影响，分析了器件串并联不均压的原因，在此基础上提出了针对SiC-MOSFET的改进型动态有源门极钳位网络。

最后通过Saber仿真和试验验证了该方法的有效性，为高压固态应用于高压领域提供了一定的理论参考和工程依据。

参考文献
［1］王位，李卫超，林城美.大容量IGBT并联均流检测技术研究［J］.电气传动，2017，47（6）：71-76.。