限流式固態斷路器及其實驗裝置研制與應用

盧其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院, 北京 100083)

限流式固態斷路器及其實驗裝置研制與應用

盧其威, 雷 婷, 高志宣, 何棒棒

(中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院, 北京 100083)

開發了一套基于金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)并聯的限流式固態斷路器,并以此為基礎設計了一套電力電子器件及固態斷路器測試實驗裝置。該實驗裝置可實現MOSFET的穩態和動態均流特性測試、二極管反向擊穿電壓測試、MOSFET的關斷能量損耗測試等實驗,還可驗證固態斷路器在防止越級跳閘及降低電氣火災隱患等方面的功能。該實驗裝置有利于加深學生對MOSFET、二極管相關電氣特性以及基于電力電子器件的固態斷路器的理解,提高學生綜合運用專業知識的能力。

固態斷路器； 實驗裝置； MOSFET； 電氣特性

電力電子技術在新能源發電、直流輸電、電能儲存、電機系統節能、工業電機驅動、電能質量控制、智能電網建設、船舶電力推進、現代國防設備、家用電器等方面得到了廣泛的應用[1-8]。電力電子技術課程作為電氣工程專業的一門專業必修課也發揮著越來越重要的作用。電力電子技術一般包括電力電子器件、電力電子裝置、系統與控制[9]等方面的內容,而電力電子器件是電力電子技術的基礎,深入了解電力電子器件的電氣特性對于學生提高電力電子技術應用能力至關重要。經調研發現,當前我國主流的面向電氣類大學生的電力電子技術課程配套實驗裝置缺少對電力電子器件特性測試的實驗,在實際應用條件下進行相關測試的實驗設備則更少,這不利于提高學生理解和應用電力電子器件的能力。為此,開發了一套基于金屬氧化物半導體場效應管(MOSFET)并聯的限流式固態斷路器,并以限流式固態斷路器為核心設計了一套電力電子器件及固態斷路器測試裝置,利用該裝置可進行MOSFET的靜態和動態均流特性實驗、二極管反向擊穿電壓測試實驗、MOSFET的關斷能量損耗測試實驗,還可進一步驗證固態斷路器在防止越級跳閘、降低電氣火災隱患方面的作用。通過這些實驗,學生可深入理解MOSFET的相關電氣特性以及固態斷路器的相關知識,對于提高學生綜合運用專業知識的能力具有重要的促進作用。

1 裝置構成及工作原理

固態斷路器實驗裝置框圖見圖1,其輸入電壓為交流220 V,主要包括固態斷路器TR、空氣開關(QF1和QF2)、轉換開關SQ、短路電阻R1、阻性負載R2、接觸器T以及示波器。負載R2為固態斷路器的負載,R1為短路電阻,R1=0.01 Ω。轉換開關SQ可手動將負載與固態斷路器TR支路或者空氣開關QF2支路相連以進行相關測試。圖2為限流式固態斷路器的原理框圖,其主開關由10個型號為IRFP460的MOSFET并聯為一組,然后由兩組MOSFET反向串聯實現。

圖1 固態斷路器實驗裝置框圖

圖2 固態斷路器原理框圖

1.1 硬件設計

固態斷路器的硬件設計包括主開關電路、控制電路、驅動電路和調理電路的設計。主開關電路由10個IRFP460并聯成一組,然后兩組再反向串聯構成。控制器采用TI公司的TMS320F28035。以TLP250光耦為核心組成驅動電路。電壓和電流檢測調理電路分別如圖3和圖4所示，圖中Vref為基準電壓。目的在于將電壓、電流互感器的交流采樣信號Vin1和Vin2調理至0～3 V,以滿足DSP中A/D采樣電壓范圍的要求。2個檢測電路的輸入輸出電壓關系分別為:

(1)

(2)

圖3 電壓檢測電路

圖4 電流檢測電路

短路時,由于電流增長迅速,為了提高保護速度,采用如圖5所示的硬件電流比較電路。圖5中閾值Vmax和Vmin分別對應正弦波正半周和負半周時的電流保護閾值。當電流采樣信號大于Vmax或者小于Vmin時,電路輸出低電平到DSP的I/O端口,DSP接收到信號后,直接發出關斷MOSFET信號。

1.2 軟件設計

軟件的任務是實時檢測電路的電壓、電流等參數,計算電壓、電流的有效值并用數碼管顯示,以及根據預先設定的電流保護閾值決定是否控制MOSFET動作。主程序流程見圖6,當控制器檢測到交流輸入電壓的過零點時開始一個工頻周期的信號采集,利用定時器定時觸發A/D轉換器,采樣電壓和電流的數值,并記錄采樣點的個數。根據一個工頻周期內的采樣數據和采樣點數量,計算得到電壓和電流的有效值并進行判斷。當電流達到過載值且持續一定的時間后,控制器發出關斷MOSFET的信號；當發生短路故障時,速斷MOSFET,無論過載還是短路故障發生后,都需等待人工處理,防止故障進一步擴大。圖7為所研制的固態斷路器電路板及樣機。

圖5 電流比較電路

圖7 固態斷路器的電路板及樣機

2 實驗方案

按照圖1設計的實驗裝置見圖8。圖1中的接觸器T、示波器和負載R2需單獨接線,利用該實驗裝置可進行以下實驗。

圖8 實驗裝置

2.1 MOSFET穩態和動態均流特性測試實驗

當多個MOSFET并聯時,若某個MOSFET的電流增大,該MOSFET相對于其他MOSFET溫度會升高,由于MOSFET的正溫度系數特性,其電阻增大,電流會減小,從而實現自動均流效果[10-11]。圖9為IRFP460規格書中導通電阻RDS(on)隨結溫TJ變化的曲線,可以看出導通電阻與結溫成正比。當選取同型號、同批次且內部參數分散性小的MOSFET、并聯安裝在同一個散熱片上時,可實現較好的均流效果。

圖9 IRFP460導通電阻隨結溫變化的曲線

測試MOSFET穩態均流特性的實驗方法:控制轉換開關SQ位置,使負載支路與固態斷路器TR支路連接,閉合QF1,斷開接觸器T和QF2,啟動固態斷路器,用示波器觀察并記錄MOSFET各支路的電流波形以及回路總電流io的波形。

測試MOSFET動態均流特性的實驗方法:當固態斷路器正常工作時,閉合接觸器T,使固態斷路器處于短路狀態。由于短路后,電流迅速上升并達到固態斷路器限流保護值,MOSFET關斷。利用示波器測量負載突變后各MOSFET的電流波形以及回路總電流io的波形,可觀察到MOSFET的動態均流特性。圖10(a)和(b)分別為MOSFET穩態和負載突變情況下的均流效果波形圖,受示波器探頭數量的限制,圖中只給出了3個MOSFET支路的電流波形圖,分別為io1、io2和io3。從波形圖可以看出,無論在穩態還是在負載突變情況下,各MOSFET支路的電流波形及大小基本一致,都具有良好的均流效果。

圖10 MOSFET穩態和動態均流特性實驗電流波形圖

通過該實驗裝置測試MOSFET的穩態和動態均流效果,有助于學生理解MOSFET靜態正溫度系數特性及MOSFET并聯后的均流特性。

2.2 二極管反向擊穿電壓測試實驗

圖11為MOSFET(IRFP460)達到限流值IDM關斷時的電壓、電流波形測試圖。從圖中可看出,當電流增大并超過IDM后,MOSFET關斷,其兩端電壓uds迅速上升,最終被鉗位在反向擊穿電壓VBR,從IRFP460規格書中可以查到其VBR為500 V,而經本實驗測得其VBR約為530 V左右。通過該方法測試二極管的反向擊穿電壓,可提高學生對二極管伏安特性的理解,并認識到寄生二極管對MOSFET具有一定的電壓保護作用。

圖11 關斷時MOSFET的電壓電流波形

2.3 MOSFET的關斷能量損耗測試實驗

MOSFET寄生二極管的PN結反向偏置且電壓不斷上升時,其空間電荷區的電場也隨之不斷增強,當電場強度升高到一定程度時,會引起空間電荷區中自由載流子密度雪崩式倍增,稱之為雪崩擊穿現象[13]。當其能量集聚,達到或超過雪崩擊穿能量EAS時,MOSFET將出現損壞[14]。

當發生短路時,MOSFET關斷,uds超過其寄生二極管的VBR后,二極管被擊穿,電流將從MOSFET轉移至寄生二極管,寄生二極管將承受大部分短路電流。如果該短路電流較大且承受時間tf較長,那么通過寄生二極管的能量有可能超過其雪崩擊穿能量EAS,從而導致MOSFET損壞。為了驗證該能量是否超過雪崩擊穿能量EAS,可通過圖11的波形圖估算各寄生二極管的損耗Eon,計算公式為

(3)

其中,N為并聯MOSFET的數量。

將計算得到的損耗Eon與規格書中IRFP460的單次雪崩能量EAS列于表1,可以看出損耗Eon小于單次雪崩能量EAS。因此,當并聯10個MOSFET時,即使該電路不加任何過壓保護也不至于損壞MOSFET,實驗結果也證明了這一點。若希望進一步提高對MOSFET的保護效果,可通過增加過電壓抑制電路來實現:比如在MOSFET兩端并聯阻容吸收電路或者壓敏電阻,保證MOSFET關斷時,其兩端電壓小于VBR,這樣關斷時電流就不會通過MOSFET的寄生二極管,從而避免出現雪崩擊穿現象。

表1 雪崩能量EAS與損耗Eon對比

該實驗可幫助學生掌握計算MOSFET關斷時流過的能量,并對MOSFET關斷時損壞的原因進行分析。

2.4 防止越級跳閘實驗

越級跳閘是指供電系統中發生故障時,超出故障線路以外的上級開關發生跳閘停電,導致非故障線路停電,致使故障停電影響范圍擴大的現象[15]。

利用該實驗裝置進行越級跳閘測試時,將圖1中的轉換開關SQ接通負載支路與QF2支路,閉合空氣開關QF1、QF2,斷開固態斷路器TR,令接觸器T閉合。此時線路處于短路狀態,盡管QF1的電流等級要大于QF2,但是實際中由于QF1和QF2的關斷速度較慢且不一致,往往導致它們都會跳閘,出現越級跳閘現象,擴大了事故范圍。

當上級采用機械式斷路器QF1,而下一級采用固態斷路器TR,即利用轉換開關SQ接通負載與TR支路,閉合QF1、TR,斷開QF2,并將T閉合短路后,由于固態斷路器的快速斷電特性,不會引起上級斷路器QF1跳閘。

該實驗可幫助學生理解固態斷路器的快速斷電特性在防止越級跳閘中的作用。

2.5 降低電氣火災隱患實驗

當線路中出現短路故障時,及時切斷短路電流能有效降低電氣火災隱患[16]。但是由于空氣開關斷開時間相對較長,從短路到斷開這段時間里,在短路點已經積聚了較大能量,一旦周邊有易燃物,很可能會引起火災。而固態斷路器由于斷開速度快,可以有效避免上述問題的發生。通過下述實驗可進行對比驗證:在放置實驗裝置的短路觀察室中,將較細的零線和火線擰在一起,并在周圍放置棉花,帶上較大的負載,細線發熱最終導致短路。圖12為利用斷路器QF2進行短路保護的實驗結果,顯然燃燒室中的棉花被引燃。圖13為利用固態斷路器進行短路保護的實驗結果,由于固態斷路器保護速度快,能量集聚較小,僅有微小的火花,并迅速消失,且棉花沒有被引燃。

該實驗可幫助學生理解固態斷路器的快速斷電特性對于防止電氣火災的作用。

圖12 采用機械式斷路器實驗效果圖

圖13 采用固態斷路器防火效果實驗圖

3 總結

本文開發了基于MOSFET并聯的限流式固態斷路器,給出了軟硬件的總體實現方式,并以此為基礎,設計了一個電力電子器件及固態斷路器測試實驗裝置。利用該實驗裝置,可進行MOSFET的穩態和動態均流特性實驗、二極管反向擊穿電壓測試實驗、MOSFET關斷能量損耗的測試實驗；同時可以驗證快速斷電在防止越級跳閘、降低電氣火災隱患方面的作用。文中還給出了利用該實驗裝置進行上述實驗的方法和步驟。

盡管利用本文所開發的實驗裝置進行相關實驗時得到的電氣參數與標準實驗方法可能不完全一致,例如:二極管的反向擊穿電壓測試實驗,MOSFET的穩態和動態均流實驗。但該實驗裝置可以讓學生在實際應用中去測量MOSFET的相關電氣參數,深入理解和應用電力電子器件,了解固態斷路器與機械斷路器的區別。該實驗裝置不僅有利于激發學生們的學習興趣,還可以提高其綜合運用專業知識解決實際問題的能力。

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Development and application of current-limiting solid-state circuit breaker and its experimental device

Lu Qiwei, Lei Ting, Gao Zhixuan, He Bangbang

(School of Mechanical Electronicand Information Engineering, China University of Mining and Technology, Beijing 100083, China)

A current-limiting solid-state circuit breaker based on the MOSFET parallel is developed. On the basis of this, a set of the power electronic device and the experimental device for the solid-state circuit breaker test are designed. This experimental device can realize the experiments for the MOSFET steady-state and dynamic current sharing characteristic test, the diode reverse breakdown voltage test, the MOSFET shutdown energy loss test, etc. It can also be used to verify the functions of the solid-state circuit breaker in preventing the leapfrog trip, reducing the hidden danger of electric fire, etc. The characteristics of the experimental device are that the related tests can be carried out under the conditions of practical application, which is helpful to deepen the students’ understanding of MOSFET, the diode related electrical characteristics and the solid-state circuit breakers based on power electronic devices so as to improve the students’ ability to use the professional knowledge comprehensively.

solid-state circuit breaker; experimental device; MOSFET; electrical characteristics

TM561;G484

: A

: 1002-4956(2017)09-0076-06

2017-03-08修改日期:2017-05-19

2015年北京高等學校教育教學改革項目“煤礦機電類本科專業虛擬仿真實踐教學體系建設”(2015-ms120)

盧其威(1976—),男,河北石家莊,博士,副教授,從事電力電子與電力傳動、電氣安全等領域的教學與研究.

E-mail:lqw@cumtb.edu.cn

10.16791/j.cnki.sjg.2017.09.020