风电变流器IGBT短路保护的研究

程显忠

摘要：风电变流器是电力系统中的重要组成部分，在本文中，将就风电变流器IGBT短路保护进行一定的研究。

关键词：风电变流器；IGBT短路保护；

1引言

IGBT对电力晶体管以及电力场效应晶体管在关断机制以及导通方面的优点进行了结合，同其他晶体管相比，其具有着开关速度快、无二次击穿以及驱动功率小的特点，非常容易进行并联操作，在将其应用到电子装置之后，具有着低损耗以及高性能的特性。如何能够对其短路保护情况做好处理、保障电路的稳定运行，则成为了非常重要的一项工作。

2短路情况工作状态

当IGBT产生短路故障问题时，需要对其实时工作状态进行充分的考虑，如果在短路情况下，其依然处于导通状态，由于在回路中所具有的电感值较小，则会使短路电流出现增大的现象。而对于该种情况来说，其在电力电子电路以及IGBT工艺方面都是不允许的。对此，在其发生短路情况时，则需要通过放大区的应用对其短路电流进行限制。同时，在该电路中，其电感量值的大小也将对IGBT的功耗以及电流进行决定，而如果其电感量处于较小的一个值，那么在实际对其进行关断时，其电流变化率则会增大，而IGBT则会以较快的速度进入到饱和阶段，并具有着结温上升的情况；而如果其电感量为较大的一个值，那么在关断过程中电流变化率值则将降低，对IGBT的饱和来说具有着明显的延缓作用。而在整个处理过程中，系统的短路电流也将不断提升，而IGBT的功耗、电压以及结温在上升方面的表现则不是很明显。同时，如果其电感量较大，则会出现较大的电压尖峰情况，需要在实际处理中做好其控制，保证其同IGBT反向截止电压相比较低，避免因此对IGBT器件造成损坏。

在IGBT发生短路情况时，如果存在着快速退饱和现象，则会使门极电压在电压变化率变化的影响下出现增加情况，进而产生较高的电流峰值。当该种情况出现时，峰值电流则会使系统出现功耗增加情况，很可能因此对器件造成损坏。而在短路情况下，其集射电压值也将出现较为快速的上升情况，如果因电流流入门射极电容而导致短路电流以及门射极电压出现增加情况，则需要以保护电路对其进行处理。

3短路保护电路原理

3.1安全工作区及维持时间

对于该保护来说，其能够在IGBT发生短路情况、且没有发生损坏之前对其进行及时的关断，并将保护关断情况下I-U的运行轨迹始终控制在其短路安全工作区当中。在短路时间增加的情况下，则会使SCSOA出现减小情况，且同厂家工艺结构以及电路布线电感具有着较为密切的关联。同时，由于系统中杂散电感以及布线电感的存在，当短路电流值较大时，I-U开关运行轨迹则很可能出现对SCSOA允许范围进行超出的情况。

对于退饱和检测技术来说，其一般应用在对于IGBT故障以及短路的情况鉴定。一般情况下，在以该方式进行保护处理时，短路维持时间为10μs，即在对短路故障进行准确、快速检测的同时在允许时间范围内对IGBT进行关断，以此避免IGBT器件出现被损坏的情况。而随着近年来我国相关技术的发展，近年来IGBT也具有着更低的开关损耗以及传导性，在对短路维持时间进行缩短的同时对IGBT驱动具有了更高的要求。

3.2IGBT短路电流

在IGBT发生短路情况时，uce将以较为缓慢的速度上升到母线电压，并在较高的跨导情况下使电流存在较为明显的过冲尖峰情况，如果系统发生短路情况的时间越长，其所产生的传导损耗以及开关损耗值就越大。对于门极驱动来说，其需要能够以较为快速方式的短路维持时间较低的器件进行关断，而对uge¬进行降低、使其同IGBT的耐压值相比较低，是一种十分有效的处理方式。而在有源箝位电路的作用下，其则会以较快的达到箝位电压水平，对电路故障情况下的电流进行抑制，避免其对电路产生电压击穿以及锁定效应等情况。如果电流Isc超出寄生晶闸管结构的的擎住电流，则将导致锁定效应出现，并使其失去对于门极的关断能力，而通过对Isc幅值的限制，则能够对锁定效应的发生进行有效的避免。同时，在电路杂散电感的作用下，di/dt也可能产生较高的过电压，并因此使器件发生被击穿的情况，通过对uge的缓慢降低，则能够对击穿情况进行有效的避免与预防。

3.3电路保护电流

图1

上图为IGBT驱动保护电路结构框图，在该电路中，将通过对uce进行检测的方式对短路监视功能进行实现，即如果通过IGBT的电流值过大，那么通态压浆则会以较快的速度上升，而当短路故障问题发生时，则能够通过逻辑的把握对短路问题及时的发现，在IGBT导通时，会对uce进行测试，如果在测试阶段出现其高于设定值的情况，则将在系统中产生一个故障信号，对IGBT进行平滑关断的同时对其过电压进行降低。同时，也能够通过RC回路电容以及电阻对短路电流的延迟时间以及电压门槛值进行设定。

在短路情况发生时，IGBT集电极退饱和，装置a点位置的点位将出现升高情况。而如果uce出现超出电压门槛值的情况，监视点为低电平，在对故障信号进行输出、对逻辑电路判断进行触发之后对脉冲进行闭锁，以此使输出到门极驱动放大电路中的驱动信号也为低电平，并在软关断电阻的作用下使其出现缓慢下降的情况，以此实现对电压过冲问题的有效抑制。

4结束语

在上文中，我们对风电变流器IGBT短路保护的方式进行了一定的研究，具有着较好的应用研究价值。

参考文献

[1]葛廷友,冷芳,吕霞.基于IGBT的一种新型柔性交流输电系统静止同步补偿装置[J].农业科技与装备.2010(04)：55-56.

[2]李黎,李杨,罗洋.一种馈能式IGBT串联动态均压电路[J].低压电器.2013(20)：102-104.

[3]王雪松,赵争鸣,袁立强.基于IGBT的变换器系统安全工作区[J].清华大学学报(自然科学版).2011(07)：77-81.