曾進輝，樊楊杰，何東，劉湘，廖曉斌

(1.湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.株洲福德軌道交通研究院，湖南 株洲 412007)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子設(shè)備不斷滲透到各個領(lǐng)域，其中功率開關(guān)管是電力電子裝置中的關(guān)鍵器件，絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)成功結(jié)合了MOS場效晶體管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)的工作速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點與電力晶體管(power transistor，giant transistor，GTR)的耐壓高、載流大等特性，被廣泛運用于軌道牽引、新能源發(fā)電、高電壓直流輸電等領(lǐng)域[1-4]。以IGBT作為驅(qū)動的電力電子電路，將接收到的控制信號進行處理，包括信號的隔離以及放大[5-7]，所以在高電壓大功率電路中，IGBT模塊對電力電子器件的性能具有重要意義[8-9]，驅(qū)動電路是否正常運行對模塊的工作狀態(tài)具有決定性作用。因此，選用IGBT作為本文研究所涉及的主功率器件。

針對在大功率高壓直流斷路器場合中出現(xiàn)過壓過流等不能及時檢測出故障并關(guān)斷保護斷路器等問題，文獻[10-11]提出了一種采用輔助電流源的主動?xùn)艠O控制方式。通過檢測發(fā)射極電流和集射極電壓判斷IGBT的開關(guān)狀態(tài)，在特定階段向柵極注入或抽取電流，在不影響開關(guān)速度的前提下抑制電流、電壓過沖，但硬件電路復(fù)雜，難以實際應(yīng)用。文獻[12]采用復(fù)雜可編程邏輯器件(complex programmable logic device，CPLD)，在器件開關(guān)過程的不同階段采用不同的驅(qū)動電壓，以實現(xiàn)對電流、電壓過沖的抑制。這種方法控制靈活，但是需要針對不同應(yīng)用場景進行編程，無法大規(guī)模應(yīng)用。文獻[13]利用數(shù)字驅(qū)動IC精確調(diào)節(jié)驅(qū)動信號，優(yōu)化驅(qū)動波形來提升功率器件的開關(guān)性能，可以在降低總開關(guān)損耗的同時抑制浪涌電壓。但是數(shù)字化控制方法需要使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)對開關(guān)變量進行采樣，成本高，還需要高性能控制器對采樣數(shù)據(jù)進行處理。此外，A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理過程造成的高延遲也會影響控制效果的準(zhǔn)確性。文獻[14]提出在器件開關(guān)的特定階段同時改變柵極電阻并向柵極注入電流，以達到控制電流、電壓過沖和振蕩的目的，這種方法要同時調(diào)整兩個變量，控制復(fù)雜，實現(xiàn)困難。閉環(huán)驅(qū)動電路主要是通過IC、UCE或UGe閉環(huán)負反饋對IGBT的開通關(guān)斷進行控制。文獻[15-17]提出了一種基于UCE閉環(huán)反饋控制驅(qū)動電路，通過硬件電路建立UCE的閉環(huán)反饋回路，實時地將UCE與預(yù)先給定值UCE進行比較，通過高速運放電路實現(xiàn)對IGBT開關(guān)過程中UCE的控制。同樣，文獻[18]基于這種方法對IC也進行了有效調(diào)節(jié)，在IGBT開關(guān)過程中對IC與UCE同時進行雙閉環(huán)反饋控制，首先設(shè)置二者的參考值，在IGBT開通和關(guān)斷瞬間需要對IC與UCE的閾值進行快速精確地切換。但是IC與UCE之間的相互影響及IGBT對于工況的依賴，導(dǎo)致利用模擬式驅(qū)動電路實現(xiàn)電流、電壓雙閉環(huán)反饋存在較大的難度。鑒于模擬電路實現(xiàn)UCE與IC的雙閉環(huán)反饋控制難度大，文獻[19]提出利用數(shù)字化閉環(huán)反饋的方法實現(xiàn)對IC、UCE的控制，反饋信號的測量電路由無源器件組成，利用A/D轉(zhuǎn)換芯片對模擬信號(IC、UCE、UGe)采樣并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送給數(shù)字處理器進行算法分析，然后給出相應(yīng)的IG來實現(xiàn)對IGBT開關(guān)過程的控制。這種方法的優(yōu)點在于采用數(shù)字化可編程處理器，控制方便靈活，系統(tǒng)集成度大大提高，但是對于大功率IGBT，集射極UCE的電壓跨度大，對于傳感器及A/D電路精確度高，而參考電壓的產(chǎn)生復(fù)雜，難以提高可靠性。

為克服以上這些方法的種種不足，本文提出一種新的主動?xùn)艠O驅(qū)動電路，主要原理為在開關(guān)過程中的高di/dt和高dv/dt階段減小柵極驅(qū)動電壓，從而減小電流和電壓的變化率，有效抑制電流、電壓過沖。采用現(xiàn)場可編程門陣列(field programmble gate array，F(xiàn)PGA)實現(xiàn)門極控制，可利用較簡潔的電路實現(xiàn)復(fù)雜模擬電路才能完成的有源門極驅(qū)動，并使斷路器從故障發(fā)生到IGBT組件完全關(guān)斷的時間更短，優(yōu)化IGBT開關(guān)過程。同時在斷路器進行開關(guān)斷之前，驅(qū)動會進行自檢，實驗過程包含溫度檢測，可提高整個斷路器的安全性、可靠性、同步性。本文設(shè)計基于IGBT器件的數(shù)字驅(qū)動器，并運用在由3并6串共18只IGBT組成的10 kV/5 kA高壓直流固態(tài)斷路器中?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)外部控制命令和工作狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)IGBT組件快速開通斷關(guān)，并實現(xiàn)對檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、執(zhí)行部件等環(huán)節(jié)的快速響應(yīng)。

1 IGBT驅(qū)動器整體結(jié)構(gòu)及控制策略

控制系統(tǒng)由核心控制器、輔助電源、IGBT驅(qū)動系統(tǒng)、光纖、電壓電流檢測機構(gòu)、溫度檢測機構(gòu)等組成，如圖1所示。

圖1 驅(qū)動器控制系統(tǒng)拓撲圖

核心控制器由FPGA+AD架構(gòu)實現(xiàn)，系統(tǒng)包含1塊核心控制板和6塊驅(qū)動板。各環(huán)節(jié)從系統(tǒng)的可靠性、實時性、同步性出發(fā)，根據(jù)功能需求完成硬件設(shè)計，完成對外交互及內(nèi)部邏輯判斷。作為自檢程序中的主機，發(fā)起自檢請求完成開機/開關(guān)動作前的系統(tǒng)自檢，實現(xiàn)遠程通信功能，實時監(jiān)測斷路器內(nèi)部各模塊(器件)工作狀態(tài)、IGBT及繼電器等器件驅(qū)動信號產(chǎn)生及反饋信號處理，判斷斷路器是否工作在短路狀態(tài)，并完成快速保護。硬件平臺包含兩類AD，一路用于關(guān)鍵信號如回路電流的快速監(jiān)測，一路用于慢控信號(溫度、電壓、濕度)監(jiān)測。

1.1 驅(qū)動器采樣結(jié)構(gòu)

斷路器額定工作直流電壓為10 kV，在關(guān)斷瞬間電壓將上升至20 kV。為了整個量程都能準(zhǔn)確測量，采樣電路采樣范圍需要為5～25 kV，隔離電壓在30 kV以上。斷路器額定工作電流為5 kA，在出現(xiàn)故障時，電流將升至20 kA以上。為了在整個量程內(nèi)均能準(zhǔn)確地測量出電流，選擇霍爾傳感器，按1～20 kA的范圍考慮電路設(shè)計，如圖2和圖3所示。

圖2 檢測IGBT的UCE端

圖3 檢測IGBT的UCG端

控制板觸發(fā)輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個并聯(lián)組件的觸發(fā)板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號和控制電路控制，因此，驅(qū)動硬件功率較大，在設(shè)計驅(qū)動電路時需重點考慮。

系統(tǒng)包含6塊IGBT觸發(fā)板，每塊驅(qū)動3只并聯(lián)的IGBT。3只并聯(lián)IGBT為一個壓接件，觸發(fā)板就近安裝在壓接件上。為確保并聯(lián)的3只IGBT通斷的同時性，3只IGBT共用同一觸發(fā)電路。所以觸發(fā)電路的驅(qū)動功率需按3只IGBT驅(qū)動功率的總和來設(shè)計。同時，功率放大電路選用開關(guān)速度較快的CMOS管。

為確保6塊觸發(fā)板同步性，控制板觸發(fā)輸出光纖6路，輸出到IGBT的6個并聯(lián)組件的觸發(fā)板上。為確保6路光纖同步，6路輸出光纖由同一信號和控制電路控制，光纖選型、光電轉(zhuǎn)換、信號處理(CPLD)等電路元件盡量選用高速器件。另外，該觸發(fā)板應(yīng)具有過壓、過流檢測功能。驅(qū)動系統(tǒng)主要拓撲如圖4所示。

圖4 觸發(fā)板拓撲圖

1.2 輔助電源結(jié)構(gòu)

為了給驅(qū)動器的測試提供方法依據(jù)，使電源的測試能夠準(zhǔn)確地進行，設(shè)計具有隔離作用的DC/DC開關(guān)電源，設(shè)計內(nèi)容包括輸入、輸出電壓范圍，穩(wěn)態(tài)電壓、頻率、相位誤差，輸入輸出多壓、欠壓及其恢復(fù)等，以及輸出為24 V/3 A和5 V/3 A輸出電路。

2 IGBT驅(qū)動器軟件設(shè)計及控制保護策略

系統(tǒng)控制流程包含自檢系統(tǒng)和運行系統(tǒng)兩部分。

自檢系統(tǒng)是為確保觸發(fā)同步性和可靠性。在斷路器開通前，系統(tǒng)以并聯(lián)組件為單位，自動對光纖、收發(fā)電路、電源、觸發(fā)電路和IGBT并聯(lián)組件的實時性和可靠性進行檢測。一旦檢測到某一組件故障，系統(tǒng)停止自檢，同時生成故障代碼并輸出故障指示。若自檢通過，控制中心同時對6個IGBT并聯(lián)組件發(fā)出開通命令。電平由3.3 V信號轉(zhuǎn)換±15 V。正常工作時，PWM信號的每次邊沿跳變，F(xiàn)B信號會延遲約220 ns變?yōu)楦唠娖?無光)，大約持續(xù)700 ns來進行狀態(tài)反饋。IGBT短路時，經(jīng)過設(shè)定的響應(yīng)時間后，F(xiàn)B信號變?yōu)楦唠娖?無光)，最多延遲4.8 μs(根據(jù)實際情況設(shè)定，與響應(yīng)時間的和不大于10 μs)，此期間靠主控制器關(guān)斷IGBT。副邊電源或門極過載、短路時，F(xiàn)B信號至少維持500 μs的高電平(無光)狀態(tài)。副邊電源欠壓時，只有在恢復(fù)正常電壓后FB信號回到低電平(有光)狀態(tài)，正常工作時與短路時驅(qū)動與反饋信號波形對比如圖5和圖6所示。

圖5 正常工作時驅(qū)動與反饋信號波形

圖6 短路時驅(qū)動與反饋信號波形

2.1 自檢系統(tǒng)及安全保護

2.1.1 自檢流程

在主回路高壓電源(DC10 kV)和控制電源(220 V)上電且控制系統(tǒng)收到開機命令時，核心控制器對6個IGBT并聯(lián)組件依次進行檢測。首先通過TX1光纖發(fā)送1路IGBT導(dǎo)通信號，其余5路光纖TX2—TX6關(guān)閉，IGBT1組件導(dǎo)通，時間為200 ms。在此期間，觸發(fā)板IGBT-DRV1通過光纖RX1反饋高電平，表示IGBT1并聯(lián)組件處于導(dǎo)通狀態(tài)；同時，觸發(fā)板自動對IGBT1并聯(lián)組件中的3個G極信號和C、E之間的電壓進行檢測，判斷IGBT1并聯(lián)組件的實際通斷情況。若有故障，觸發(fā)板IGBT-DRV1立即通過RX1光纖反饋一定長度負脈沖，時間的長短表征故障類型，核心控制器判斷RX1光纖負脈沖時間生成故障代碼，同時關(guān)閉6路觸發(fā)光纖TX1—TX6。若在100 ms內(nèi)驅(qū)動板未反饋故障，核心控制器認為IGBT1組件正常，關(guān)斷此組件一段時間后進行下一個IGBT并聯(lián)組件檢測。6路IGBT并聯(lián)組件都檢測完畢后一段時間，控制中心同時點亮光纖TX1—TX6，同時觸發(fā)6路IGBT并聯(lián)組件，整個固態(tài)斷路器開關(guān)導(dǎo)通，如圖7所示。

圖7 光纖指示燈

2.1.2 自檢過程安全性保障

自檢流程在每次導(dǎo)通動作前完成，此時系統(tǒng)兩端承受功率高壓10 kV，自檢過程為輪流導(dǎo)通IGBT組件，此過程中器件及系統(tǒng)的安全性尤為重要。

自檢前，6個IGBT并聯(lián)組件都處于關(guān)斷狀態(tài)，此時DC10 kV由6個組件共同承擔(dān)，每個I組件承受的電壓為10 kV/6=1 666.7 V。IGBT選型時額定電壓為4 500 V，耐壓能力足夠。自檢時，6個IGBT輪流導(dǎo)通，且同一時刻僅導(dǎo)通1組，此時10 kV由另外5組承擔(dān)，每組承受電壓為10 kV/5=2 000 V，仍低于額定工作電壓。因此自檢方法可以在保證其他器件絕對安全的前提下，完成核心控制器、觸發(fā)電路、輔助電源和IGBT健康狀態(tài)的全面檢測，并實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的信息交換。

2.1.3 自檢信號發(fā)送與反饋

自檢過程中，核心控制器作為主機，通過6根發(fā)送光纖先后發(fā)出檢測波形。光纖TX1首先發(fā)出一段200 ms的高電平，在此期間，IGBT-DRV1觸發(fā)板作為自檢從機，自動對IGBT1并聯(lián)組件中的3個G極信號和C、E之間的電壓進行檢測，判斷IGBT1并聯(lián)組件的通斷情況，并通過光纖RX1將組件健康狀態(tài)、IGBT電壓比較器反饋至核心控制器。

驅(qū)動系統(tǒng)收到自檢控制信號后，通過光纖將組件信息反饋至核心控制器，如圖8所示。若組件無故障，則持續(xù)反饋高電平，反之，則反饋不同脈沖寬度的負脈沖，脈沖長度表征故障類型，反饋信號波形如圖9所示，故障類型對應(yīng)的脈沖寬度見表1。

圖8 自檢控制信號示意圖

圖9 自檢反饋信號示意圖

表1 故障類型判斷

2.2 運行系統(tǒng)

運行系統(tǒng)包含主程序和慢控程序兩大部分。其中，主程序完成斷路器通斷相關(guān)的直接邏輯判斷與控制，慢控程序完成上位機交互、輔助狀態(tài)監(jiān)測等功能，設(shè)計流程如圖10所示。

圖10 直流固態(tài)斷路器保護邏輯流程

主程序邏輯:正常工作時，控制系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，如進出端電壓、主回路電流等，并將實時狀態(tài)反饋至上位機及外部狀態(tài)顯示燈。系統(tǒng)即時監(jiān)測預(yù)充電指令，指令到達且系統(tǒng)自檢通過后，系統(tǒng)根據(jù)輸入輸出端電壓差執(zhí)行預(yù)充電判斷，若壓差超過預(yù)設(shè)閾值，則導(dǎo)通預(yù)充電IGBT，直至壓差小于閾值后，關(guān)閉預(yù)充電IGBT，等待外部主開關(guān)分合指令。開通及關(guān)斷指令到達時，自檢通過，且預(yù)充電完畢或不需要預(yù)充電，系統(tǒng)導(dǎo)通主IGBT組件，并進入正常運行狀態(tài)的保護邏輯。保護邏輯包含三類保護:反時限保護、速斷保護和瞬態(tài)保護，三類保護并行執(zhí)行，優(yōu)先級并列。

慢控程序邏輯:慢控程序主要完成的功能包括啟機時預(yù)設(shè)參數(shù)的存儲器讀取、外部交互、工作狀態(tài)查詢及保護中斷處理。

系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換分為快速AD和慢速AD兩類，其中，慢速AD放置在驅(qū)動系統(tǒng)中，用于組件電壓采集及環(huán)境溫度監(jiān)測。電壓信息用于斷路器兩端壓差計算、IGBT組件的C、E、G極電壓檢測。雙通道快速AD用于斷路器進出端電流采集，用于采集所有RC濾波處理。

1)電流保護閾值計算方法:

式中，I為實際電流值；CountI為12位數(shù)字量；RI為電流傳感器輸入電流采樣電阻；KI為運放調(diào)理增益。

2)電壓保護閾值計算方法:

式中，V為實際電壓值；CountV為16位數(shù)字量；KV為運放調(diào)理增益。

3)瞬態(tài)保護閾值計算方法:

式中，THΔ為電流瞬態(tài)保護閾值；CountI1、CountI2為相鄰2 μs內(nèi)電流采樣的16位數(shù)字量平均值。

4)反時限保護時間計算方法:

式中，T為反時限保護時間，μs；CountT為16位寄存器數(shù)字量，100為內(nèi)部計時器周期100 μs；P為IGBT可承受的最大過載功率；I為回路電流；R為等效導(dǎo)通內(nèi)阻；KT為修正系數(shù)。為簡化軟件運算量，保證響應(yīng)快速性，軟件實現(xiàn)時采用分段式查表方法。

5)溫度計算方法:

式中，Temp為反實際溫度，℃；CountTemp為16位采集數(shù)字量；RT為溫度采樣電阻值；KR為所選熱敏電阻比例；KT為溫度采樣電路運放調(diào)理增益。

3 實驗及分析

通過搭建在10 kV/5 kA斷路器實物平臺中進行實驗，分別進行了功能、絕緣耐壓、串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流、溫升等實驗來驗證該驅(qū)動器的可行性及正確性。測試IGBT采用的是壓接型IGBT，詳細參數(shù)見表2。其中，TC為環(huán)境溫度，tp為持續(xù)時間，VR為二極管阻斷電壓，Tvj為工作結(jié)溫。

表2 IGBT具體參數(shù)

3.1 功能實驗

按實驗平臺搭建實驗硬件實驗環(huán)境，利用電纜連接直流電源模塊輸出正極至斷路器一端，斷路器另一端連接至阻性負載正極，負載負極與直流源負極相連接。連接斷路器的通信接口至上位機PC(可通過外部的按鈕控制通斷)，220V AC電源至市電插座(系統(tǒng)增加UPS電源，保證控制電的不間斷)。斷路器控制直流電源模塊上電，上位機發(fā)送合閘指令(外部控制開關(guān))。通過示波器檢測輸出負載端電壓來判斷斷路器是否導(dǎo)通，等于輸入直流源電壓則為導(dǎo)通，最后關(guān)閉直流電源(主回路電)。在斷路器上電狀態(tài)下，實現(xiàn)所有寄存器配置及回讀，對比驗證正確性。采用直流源機電組負載組合，測試系統(tǒng)搭建如圖11所示，其中包括用調(diào)壓器整流輸出加電容作為直流源的直流電源模塊、上位機PC、24 V的LED報警燈。

圖11 功能實驗平臺原理

3.2 絕緣耐壓實驗

模擬斷路器額定工況，搭建實驗平臺，如圖12所示，其中包括輸出380～6 000 V AC的可調(diào)變壓器，六脈波整流器，2并10串的5 000 μF/1 200 V的儲能裝置C1，4串50 kΩ/300 W的負載R1。經(jīng)可調(diào)變壓器調(diào)壓后，連接至不可控整流裝置，經(jīng)儲能電容后串接斷路器及負載。三相交流電經(jīng)整流器整流為直流，現(xiàn)有實驗室功率進線為350 kV·A，故大電流實驗時，需要配備電容器組進行瞬時能量儲備，電容器組包含1 200 V/5 000 μF電容20個(2個并聯(lián)后串一起，組成10串，可滿足直流母線電壓10 kV)。

圖12 開通關(guān)斷實驗平臺原理

3.3 IGBT并聯(lián)均流實驗

為驗證IGBT驅(qū)動器驅(qū)動6組IGBT開關(guān)斷的同步性，從確保安全角度考慮，取1組3個IGBT開關(guān)先進行小電流實驗，測試其均流情況及開關(guān)的同步情況。先給斷路器預(yù)充電，設(shè)置IGBT電流閾值為450 A，由圖13可知，通道1為檢測斷路器兩端母線電壓，通道1—3為檢測3個并聯(lián)的IGBT電流。在斷路器在開通過程中，檢查到通道1電流為167.91 A，通道2電流為151.5 A，通道3電流為150 A，電流超過預(yù)設(shè)的閾值后，驅(qū)動器僅用33.14 μs實現(xiàn)了關(guān)斷，通過3個通道1—3電流可知，均流度大于90%，忽略采樣及實驗過程損耗等因素誤差，實現(xiàn)了并聯(lián)均流功能。

圖13 IGBT并聯(lián)均流波形圖

3.4 IGBT串聯(lián)均壓實驗

為驗證IGBT驅(qū)動器驅(qū)動6組IGBT開關(guān)斷的同步性，從安全角度考慮，先以高電壓低電流的形式，以1 kV為一個等級進行測試，確保實驗的嚴謹性。其中，IGBT組有6組，由于實驗設(shè)備有限，先檢測4組，再檢測后2組與前2組進行對比。如圖14和圖15所示，采樣誤差為±60 V。驅(qū)動器檢測到4組IGBT開關(guān)兩端電壓超過閾值后，僅同時用840 ns實現(xiàn)了關(guān)斷，可看出6組IGBT在閾值設(shè)置為1 kV時，超過閾值時實現(xiàn)了同步性關(guān)斷過程。

圖14 電壓1 kV前4組IGBT波形圖

圖15 電壓1 kV另2組與前2組IGBT對比波形圖

當(dāng)斷路器在做最大電壓電流等級實驗時，當(dāng)母線電壓電流超過設(shè)置的閾值(10 kV/5 kA，即圖中a點)后，驅(qū)動器檢測到斷開斷路器點b，整個過程反應(yīng)時間僅6.4 μs，滿足要求，其電壓尖峰也在IGBT規(guī)格書安全范圍之內(nèi)，如圖16和圖17所示。

圖16 驅(qū)動器反應(yīng)時間

圖17 斷路器電壓電流波形圖

3.5 溫升實驗

水冷裝置水流量設(shè)置為單管2.5 m3/h，壓力0.3 MPa；示波器的隔離電壓探頭分別連接斷路器X1、X2兩端、主回路IGBT的CE兩端，電流探頭監(jiān)測斷路器主回路銅排，并調(diào)至合適比例，保證波形完整清晰。在斷路器內(nèi)部增加多個關(guān)鍵節(jié)點溫度探頭及溫度試紙，其中，溫度探頭用來測試各節(jié)點實時溫度，溫度試紙用于監(jiān)測實驗過程中的最高溫度。斷路器上控制電源，保持斷路器為斷開狀態(tài)。當(dāng)開關(guān)柜合閘后，監(jiān)測斷路器X1、X2端電壓是否為額定工作電壓100 V，按發(fā)送導(dǎo)通指令，記錄斷路器X1、X2端及IGBT的CE極電壓波形、回路電流波形，監(jiān)測斷路器進出水口溫度并記錄，保持斷路器導(dǎo)通，持續(xù)工作24 h，每隔10 min記錄各參數(shù)。當(dāng)開關(guān)柜分閘后，采用外部泄放電阻將電容能量耗盡，監(jiān)測斷路器X1、X2端電壓是否為降至0 V后，關(guān)斷斷路器控制電源。實驗結(jié)果如圖18所示。

圖18 溫升實驗波形

實驗過程持續(xù)240 min，從實驗開始10 min后記錄溫度；IGBT與二極管溫升效果基本一致，最高絕對溫度86℃，相對于外部環(huán)境的相對溫升約51℃，滿足設(shè)計指標(biāo)；散熱器與IGBT及二極管溫差基本恒定，約45℃。二極管溫度高于IGBT溫度的原因是器件封裝不同，二極管電流通路包含2對進出線銅排，IGBT包含3對進出線銅排，二極管單銅排上承受的電流大于IGBT單銅排電流。同時，IGBT封裝尺寸相對于二極管增大約1/3，散熱面積也相應(yīng)增加，故IGBT在節(jié)壓相對較高的情況下，實測溫升反而小于二極管溫升。

4 結(jié)語

針對數(shù)字驅(qū)動器目前存在的優(yōu)勢，利用FPGA控制技術(shù)實現(xiàn)開通和關(guān)斷多級控制的數(shù)字驅(qū)動器的整體設(shè)計、各部分功能，并制作了驅(qū)動器實物用于驗證硬件功能的測試。在10 kV/5 kA的高壓直流斷路器中，搭建實驗平臺，進行設(shè)置IGBT電壓電流閾值實驗，通過實驗波形得出以下結(jié)論:

1)滿足各開關(guān)的同步性和關(guān)斷的及時性，證明該IGBT數(shù)字驅(qū)動器在大功率應(yīng)用場合中具有能夠快速關(guān)斷的功能，IGBT開關(guān)過程得到優(yōu)化。

2)通過1個驅(qū)動器驅(qū)動3個IGBT開關(guān)的方法，同時保障了18個IGBT的多個開關(guān)斷路器的安全性、可靠性、同步性。

3)該方案結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，易于實現(xiàn)多個IGBT組的串并聯(lián)、多路故障檢測，易于實現(xiàn)更高電壓等級的直流斷路器的應(yīng)用。