基于IGBT的低壓智能斷路器動作執行模塊的研究

張晨曦，李澤滔，趙忠斌

（貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

在用電質量要求越來越高的今天，如何保證電網的安全運行，如何采用各種保護電器對電網進行必要的保護是至關重要的。在各種保護設備中，斷路器作為其中重要的一員，在輸配電線路的主干線、支路中具有無可替代的作用[1-3]。在生活中，人們經常遇到計算機設備的死機、運行速度變慢、亂碼、主板短路，電視設備出現色彩失真、音質變調、接收效果變差等現象，這些都是電涌的積累性危害所造成的。而電涌現象的產生除了平時被人們所注意的大負荷感性負載（如空調等）脫離電源的瞬間等造成的之外，很大一部分是在斷路器等開關設備開合閘過程中產生的[4-5]。

近年來，越來越多的電子半導體器件應用于各種保護電器中，其中一種基于IGBT的軟開關技術被頻繁的應用于低壓智能斷路器領域[6]。使得低壓智能斷路器可通過采用斬控式進行軟脫扣或軟啟動，并且在其執行開合閘動作時，具有響應速度快，不含有低次諧波，減小二次過電壓、過電流等優點。

本文采用IGBT作為低壓智能斷路器動作執行模塊的動作執行器件，對低壓智能斷路器實現了軟脫扣、軟啟動，大大降低了在開合閘時電涌對智能電器的危害，提高了電網運行的穩定性。

1 IGBT簡介

從1957年第一個晶閘管的誕生，到20世紀80年代后期，以絕緣柵極雙極性晶體管（Insulated-gate Bipolar Transistor , IGBT）為代表的復合型器件異軍突起。電力電子器件也由之前的半控型器件發展到了現在的全控型器件，密切的推動了我國電器設備的發展[7]。IGBT屬于全控型器件，其也是三端器件，具有柵極G、集電極C和發射極E，它是MOSFET和BJT的復合。它把MOSFET的驅動功率小、開關速度快的優點和BJT的通態壓降小、載流能力大、可承受電壓高的優點集于一身，性能十分優越，是現在電力電子技術的主導器件[8]。

2 低壓智能斷路器動作執行模塊在MATLAB/Simulink中的建模

針對居民用戶大多使用的阻感性負載，建模時采用星型連接的方式，利用6個IGBT作為動作執行器件，配以6個快恢復二極管構成了低壓智能斷路器動作執行模塊的主電路，如圖1所示，除此之外還用了3個耐壓較高的無極性電容和3個一定功率的電阻。在實際電路應用中，可在每個IGBT的陽極處串聯一支快速熔斷器，使得IGBT的陽極電流在一定的安全許可范圍內，便可對IGBT進行保護，以此達到安全性及可靠性方面的要求[9]。

圖1 IGBT軟脫扣的Simulink仿真電路Fig. 1 The Simulink simulation circuit of IGBT soft tripping

由于在該電路中低壓智能斷路器脫扣與啟動的過程所用原理相似，本文以軟脫扣過程為例，對該電路進行詳細介紹。如圖1所示的斬控式IGBT軟脫扣電路，在線路處于正常運行范圍時，上面三個IGBT S1，S2，S3周期性的將三相阻感性負載與三相電源接通或斷開，在S1，S2，S3關斷期間，負載電流通過下面三個IGBT S4，S5，S6續流，因而S1與S4、S2與S5、S3與S6的驅動信號應該互斥。為防止同一相上下兩個IGBT直通，在實際電路中，S1和S4、S2和S5、S3和S6的驅動信號之間應設置一定的死區時間，仿真時為了便于設計可以忽略死區時間。耐壓較高的無極性電容器C1、C2、C3用于在死區時間內為負載電流續流，電阻R1、R2、R3用來吸收電容器C1、C2、C3在死區時間里所儲存的能量[10-12]。

在驅動電路中，驅動源采用脈沖寬度調制技術即PWM（Pulse Width Modulation）控制進行設計，PWM控制技術的理論基礎是面積等效原理即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性環節上時，其效果基本相同[13]。通過對逆變電路開關器件的通斷進行控制，使輸出端得到一系列幅值相等的脈沖，用這些脈沖來代替正弦波或所需要的波形，即在輸出波形的半個周期中產生多個脈沖，使各脈沖的等值電壓為正弦波形，所獲得的輸出平滑且低次諧波少。按一定的規則對各脈沖的寬度進行調制，即可改變逆變電路輸出電壓的大小，也可改變輸出頻率[14]。

在仿真中，首先產生一個斜率為4，初始值為-1的斜坡信號，設定信號起始時刻為0.095 s，隨后信號經由一個飽和限定，輸出飽和幅值為±1的信號，將此信號與一個頻率為20 kHz的三角波信號進行比較，若此信號值小于三角波的幅值，則輸出為1，否則為0，并將此信號作為S1，S2，S3的控制信號，將此信號的反向值作為S4，S5，S6的控制信號。從而可以看到一個控制效果為：在設定時間內，S1，S2，S3同時逐漸關斷，S4，S5，S6同時逐漸開通的過程。

為達到控制的目的，實際驅動電路的設置需要滿足如下功能：① 所輸出的控制信號為互補形式的兩路信號，兩路信號之間設置有一定的死區時間，信號電壓滿足開通與關斷IGBT的要求，信號頻率高于10倍工頻；② 驅動信號的脈沖寬度可調；③ 驅動電路應穩定可靠[15]。

三相負載與電源之間采用LC三角型濾波器濾除開關動作等帶來的高頻噪聲。由于本設計中，為三相阻感性負載沒有N線，因此可采用三角型濾波器[16]。若負載為三相阻感性帶N線負載，可采用星型濾波器接法，二者的區別主要在于，三角型接法要求電容兩端承受較高線電壓值，星型接法要求電容承受較高的相電流值，兩者各有優劣，實際應用時，可根據實際情況進行選擇[17-18]。

對濾波器的參數可先進行單相計算，進而由星型連接轉為三角型連接。以單相為例，LC濾波器的電感參數為L，電容參數為C，則低通濾波器的截止頻率由公式（1）計算，若截止頻率以十分之一的IGBT開關頻率為標準，即驅動電路中的三角波的載波頻率20 k的十分之一為基準，應為2 k左右[19]：

實際應用中，可根據電容耐壓值得不同，選擇相應型號，進而確定電感的型號。在此，假定電容值為1μF，則可計算出三角型電感值為0.244 H。

對本電路進行仿真時，不需要考慮死區時間，IGBT實現軟脫扣、軟啟動的過程可以對需要的時間進行設定。對于仿真來說，可以通過改變驅動電路中斜坡函數的斜率值對電路的開合時間進行調整，并且理論上仿真的時間可以在0至無窮大之間進行選擇，時間的長短影響電壓、電流波形的變化速率，時間越短，波形變化越快，幅值變化越不平滑；但在實際電路中，需要對上下兩只反并連的IGBT的開通、關斷時間考慮死區時間的影響[20]。在對IGBT軟脫扣、軟啟動電路仿真過程中，負載電壓、電流波形完成整個開合過程需要的時間就是與通過斜坡函數的斜率改變占空比由100%變為0的時間相同，在實際電路中，可采用主控芯片產生不同占空比的PWM驅動信號來控制時間的快慢[21]。

3 仿真結果的分析比較

3.1 對電壓、電流軟脫扣過程的仿真

如圖2、圖3所示，為低壓智能斷路器改進后的動作執行模塊軟脫扣過程中相電壓、相電流的波形。通過觀察可以發現，負載的電壓與電流幅值從0.095 s開始進入軟脫扣過程，在0.6 s內均由初始值逐漸減小至0，實現了設計之初通過對IGBT開關進行控制使電壓、電流緩慢關斷的過程。仿真波形平緩，達到了預期的目的。

圖2 軟脫扣相電壓輸出仿真波形Fig. 2 Simulation waveform of soft tripping phase voltage output

圖3 軟脫扣電流輸出仿真波形Fig. 3 Soft tripping current output simulation waveform

3.2 對沖擊電壓、沖擊電流軟脫扣及瞬時脫扣過程波形分析

在對脫扣過程中的沖擊電壓、沖擊電流進行仿真時，為使得仿真結果更加直觀，本文均將50 Hz的工頻信號濾除掉。

圖4 軟脫扣過程相電壓沖擊仿真波形Fig. 4 Voltage impact simulation waveform of soft tripping process

圖5 瞬時脫扣過程相電壓沖擊仿真波形Fig. 5 Instantaneous tripping phase voltage shock simulation waveform

如圖4、圖5、圖6及圖7所示，為軟脫扣與瞬時脫扣過程中的相電壓、相電流的沖擊波形圖。經過對比可以清晰看出，瞬時脫扣過程的沖擊電壓是軟脫扣過程中沖擊電壓的60倍左右，同時瞬時脫扣過程中的沖擊電流時軟脫扣過程中沖擊電流的47倍左右。通過對脫扣裝置的改進，大大降低了低壓智能斷路器關斷時電涌對智能電器的危害，提高了系統運行的可靠性。

圖6 軟脫扣過程相電流沖擊仿真波形Fig. 6 Soft tripping phase current impact simulation waveform

圖7 瞬時脫扣過程相電流沖擊仿真波形Fig. 7 Instantaneous release process phase current impact simulation waveform

3.3 對電壓、電流軟啟動過程的仿真

在對電路進行閉合時，只需將上述控制電路中的比較部分變換設置，即Relational Operator中的比較關系反選。驅動電路即可對IGBT實現關斷S4，S5，S6，開通S1，S2，S3的過程，并使得負載兩端的電壓、電流幅值從零平緩增大至穩定值。利用IGBT實現電路的軟啟動過程時，負載上的電壓、電流波形如圖8及圖9所示，電壓、電流波形在0～0.095 s以內為0，此時電路屬于斷電狀態，0.095 s以后，經過大約0.6 s的時間，電壓、電流波形的幅值由0平緩增大至穩定值。從而實現了設計之初通過對IGBT開關進行控制使電壓、電流緩慢開通的目的。

圖8 IGBT軟啟動相電壓輸出仿真波形Fig. 8 IGBT soft start phase voltage output simulation waveform

圖9 IGBT軟啟動相電流輸出仿真波形Fig. 9 IGBT soft start phase current output simulation waveform

3.4 對沖擊電壓、沖擊電流軟啟動及瞬時啟動過程波形分析

與脫扣過程一樣，在對啟動過程中的沖擊電壓、沖擊電流進行仿真時，為使得仿真結果更加直觀，同樣均將50 Hz的工頻信號濾除掉。

如下圖10、圖11、圖12及圖13所示，為軟啟動與瞬時啟動過程中的相電壓、相電流的沖擊波形圖。同軟脫扣一樣，軟啟動過程中的沖擊電壓、與沖擊電流的大小，均比瞬時啟動過程中，沖擊電壓與沖擊電流的大小有明顯的減弱。達到了設計之初，通過控制IGBT來減少對用電設備沖擊的目的。

圖10 IGBT軟啟動過程相電壓沖擊仿真波形Fig. 10 IGBT soft start process phase voltage impact simulation waveform

圖11 IGBT瞬時啟動過程相電壓沖擊仿真波形Fig. 11 IGBT instantaneous start process phase voltage impact simulation waveform

圖12 IGBT軟啟動過程相電流沖擊仿真波形Fig. 12 IGBT soft start process phase current impact simulation waveform

圖13 IGBT瞬時啟動過程相電流沖擊仿真波形Fig. 13 IGBT instantaneous start process phase current impact simulation waveform

4 結語

通過對電涌危害的了解，針對在檢修過程中開合閘產生的電涌對家庭用電設備的沖擊，本文對低壓智能斷路器的動作執行模塊提出了改進方法，并通過MATLAB/Simulink進行了仿真分析，結果顯示改進后的動作執行模塊在開合閘過程中產生的沖擊對家庭用電設備傷害大大減小，達到了預期的目的。在具有大負荷設備的工廠中，直接斷電產生的電涌危害無法想象，對工廠造成無法估計的損失。本文所提出的對低壓智能斷路器動作執行模塊的改進辦法為應用到具有大負荷設備的工廠中提供了理論依據和實用價值。

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