高压直流固态断路器RCD均压策略研究

刘若尘

河北省邯郸市邯郸学院，河北省 邯郸市056006

1引言

针对高压直流固态断路器传统RCD串联均压吸收电路开断时间和均压效果的矛盾[1-3]，提出一种改进的RCD串联均压吸收电路。其静态均压是通过在每个IGBT两端分别并联一组数值相等的一大一小电阻来实现，其中的小电阻在完成静态均压任务的同时也作为过电压的检测电阻。

2 改进的RCD电路结构

RCD均压吸收电路在一定程度上很好地完成了均压任务，但是电容的存在决定了IGBT的均压效果与关断用时始终会是一对矛盾的存在。若电容数值较大，均压效果可以得到保证，但关断用时长，关断损耗增加又会成为新的问题；反之，若电容数值较小，IGBT关断用时短，损耗小，但均压效果又难以保证。针对这对矛盾，提出一种改进的RCD均压吸收电路，旨在缓解这种情况。

本文只针对IGBT栅极信号不同步所引起的不均压进行讨论。如果出现驱动信号不同步时间差较大，或者其他原因引起的电压不均衡较明显的情况时，只有大电容才能保证IGBT的均压效果，使其能够继续正常工作。

提出的串联均压电路由一组数值相等的一大一小电阻Rx1、Rx2并联在IGBT两端来完成静态均压，其中的小电阻在Rx2完成静态均压任务的同时也作为过电压的检测电阻。动态均压电路结构则是在原来RCD均压吸收电路的电容Cx1上串接一个小电容Cx2，同时在这个小电容上并联一个辅助IGBT作为该小电容的短路开关。其中Z1、Z2表示两个串联的IGBT，Z3、Z4则表示两个辅助IGBT。

3 改进的RCD串联均压电路工作原理分析

新提出的均压吸收电路可以通过对过电压大小的判断决定投入工作电容的大小。当串联IGBT均压效果较好时，用于静态均压的小电阻Rx2上的电压也较小，不足以触发导通辅助IGBT，此时有Cx1和Cx2两个电容共同工作，投入均压电路的电容值较小，IGBT开断速度快，损耗小；若某个IGBT两端过电压较大时，Rx2上的电压也相应增大，当其达到辅助IGBT的开通阈值后，Cx2将被短路，此时只有Cx1工作在均压电路中，而Cx1的设计值往往是Cx2的5~6倍，均压电路电容值增大，均压效果也会相应变好。这就实现了均压电容值的负载侧自主选择。其中“x”表示“1”或者“2”。

为了更好地证明所提均压电路的实际均压效果，现将IGBT均压效果较差的情况分三种情形来讨论。

情形1：不设辅助IGBT，Cx1和Cx2同时工作。情形2：同样不设辅助IGBT，同时也去除小电容Cx2，只有一个大电容Cx1单独工作。情形3：Cx1和Cx2同时工作，再加设辅助IGBT作为小电容Cx2是否加入工作的开关。

4 改进的串联均压吸收电路仿真分析

4.1 仿真电路

在PSPICE软件中进行了仿真模拟。仿真电路选取两个CM600HA-28H串联来模拟大容量IGBT串联的工作状态，直流电压源电压设置为600V，使每个IGBT静态承压300V。IGBT栅极信号的频率为1kHz，导通电压和关断电压分别为±15V。栅极电阻根据datasheet数据取2Ω。本次仿真共设置三种情形进行讨论分析。

第一种电路吸收电容采用CX1和CX2串联的RCD均压吸收电路结构，其中CX1=3μF，CX2=600nF。

第二种电路中采用吸收电容只有CX1工作的RCD均压吸收电路结构，其中CX1=3μF。

第三种电路中吸收电容采用辅助IGBT配合CX1和CX2串接的RCD均压吸收电路结构，其中CX1=3μF，CX2=600nF。

4.2 仿真参数设置

栅极信号不同步时间为80ns

1）电容为600nF和3μF同时工作，栅极信号不同步时长为80ns的传统RCD吸收电路，VDC=600V，R1=R2=2Ω，R11=R21=0.5Ω，C11=C21=3μF，C12=C22=600nF，R=1Ω，R12=R22=60kΩ，R13=R23=1.5kΩ，L2=200nH；

2）电容为3μF，栅极信号不同步时长为80ns的传统RCD吸收电路，VDC=600V，R1=R2=2Ω，R11=R21=0.5Ω，C11=C21=3μF，R=1Ω，R12=R22=60kΩ，R13=R23=1.5kΩ，L2=200nH；

3）改进的RCD吸收电路栅极信号不同步时长为80ns，VDC=600V，R1=R2=2Ω，R11=R21=0.5Ω，C11=C21=3μF，C12=C22=600nF，R12=R22=60kΩ，R=1Ω，R13=R23=1.5kΩ，L2=200nH，辅助IGBT的型号也选用CM600HA-28H。

4.3 仿真结果分析

图1 栅极信号不同步时间80ns的串联电容RCD结构，CX1=3μF，CX2=600nF，Z1，Z2的集电极-发射极两端的电压波形	图2 栅极信号不同步时间80ns的传统RCD结构，CX1=3μF，Z1，Z2的集电极-发射极两端的电压波形
图3 栅极信号不同步时间80ns的改良RCD结构，CX1=3μF，CX2=600nF，Z1，Z2的集电极-发射极两端的电压波形

为了模拟特殊情况下改进的RCD吸收电路的工作状况，仿真中将栅极信号不同步时间取为80ns；寄生电感取200nH。

图1-3是栅极信号不同步时间差为80ns，不同情形下Z1，Z2的集电极-发射极两端电压波形。具体的，图1是电容Cx1=3μF和Cx2=600nF同时工作的情形；图2是只有电容Cx1=3μF单独工作的情形；图3是辅助IGBT、Cx1=3μF和Cx2=600nF同时工作的情形。从1-3图中可以观察到，依靠3μF和600nF电容串联时的吸收电容时，Z1上的过电压达到375V，出现了过电压较大的情况，而且静态均压效果也不是特别理想。而采用3μF吸收电容的均压电路和改良RCD均压电路的过电压抑制效果均很理想，达到可接受的范围。并且改进的RCD均压电路的关断时间还比3μF的关断用时少很多。

5 结论

针对传统RCD均压方法关于IGBT均压效果和关断时间的矛盾，在其基础上提出一种改进的RCD均压电路。该电路实现了根据均压效果的不同对参与工作电容大小的控制，对其结构和工作原理进行了详细的介绍。然后通过PSPICE对该方法在不同的工作情况下的可行性进行了仿真论证，并指出其优势。

参考文献

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[2] Bruckmann M,Sommer R,Fasching M,et a1.Series connection of high voltage IGBT modules [J]. Industry Applications Conference,1998（2）:1067-1072.

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