采用超快速熔断器保护IGBT（InsulatedGate

采用超快速熔断器保护IGBT（InsulatedGateBipolarTransister）逆变器的介绍王季梅1何可平2何浩2（1．西安交通大学电气工程学院，陕西西安710049；2．西安西联电器有限责任公司，陕西西安710016）简介为了满足电力电子器件的保护需要，国内外对大功率400A，1200V以上的IGBT逆变器都安装了较快速熔断器更快的超快速熔断器来保护。由于有了可靠的保护使大功率IGBT逆变器在发生故障时将会有效地防止爆炸，但超快速熔断器引入的应用会增加电路的电感，这样当分断IGBT逆变器时会增加开断时的过电压，所以设计超快速熔断器时应尽量减小其电感值。关键词：超快速熔断器；IGBT-逆变器1前言多数大功率IGBT逆变器采用dc-连接的电源方式，应用可变速的拖动方案和不中断供电系统的双向供电运转的方式，使IGBT的技术有了很大的改善。此外由于IGBT逆变器每年都有所增加和大功率的IGBT的串并联应用也在不断地扩大，使用于大功率的dc-连接电容器提供较大的能量，在许多情况下会引起IGBT较大的风险使电路发生故障破坏可能性亦大大增加[1][2]。在这些情况下使设备的破坏性达到相当严重的地步和产生下列的一些问题：如逆变器本体的损坏，拖动运转的瘫痪，人员的伤害和保证拖动失去正常运转等困难。在极大的失败运转情况下会使有效的保护失去作用可能还会造成电源的中断，达到更严重的事故。为了解决前进中的上述的这些问题，国外已采用了更先进的特殊设计的新型快速熔断器和要求尽快地提高IGBT产品的质量。因此也迫使了国内的同行们同样要注意不断改进提高等措施。2直流连接的IGBT逆变器操作失败的分析典型三相电压电源直流连接的IGBT逆变器的结构线路图如图1所示。图1三相电压电源直流连接逆变器和IGBT逆变器整流器侧为高电感侧或逆变器侧为非常低的电感侧。电容器组包括几个单独串并联的电容器组，以及正确能与IGBT组成的逆变器。电容器组的中间部位与地连接。在极大多数情况下可能会出现短路故障电流对IGBT逆变器装置，见图2所示。图2电压电源逆变器的故障情况a）dc-连接的击穿通道；b）两相间无电感间击穿通道；c）两相间有电感击穿通道；d）带有极小的电感的正极对地通路故障；e）带有极小电感的负极对地通路故障首先让我们讨论dc-连接图2a）的击穿通道。从通道检查可确定主要是由于控制电路IGBT-组件内都有短接故障而造成的短路。对图2b）和2c）是说明由两个相间短路的情况而造成的短路。主要应检查逆变器接线和本体的绝缘和外接线圈的绝缘。最后图2d和图2e为接地故障造成的短路。3IGBT逆变器上可能安装熔断器的几种方式图3所示[1][2]为电压电源逆变器可以布置熔断器的位置，并且只有在每个图中的上部和下部两个位置才能布置熔断器，用来满足逆变器完全保护的要求。图3熔断器电压电源逆变器可能满足要求的位置a）dc-连接；b）与电容器串联连接；c）与IGBT-组件连接；d）增加逆变功率额定的并联半桥臂组件连接4在IGBT-逆变器电路中加入超快速熔断器所增加的电感值的测量测量在IGBT-逆变器电路内加入快速熔断器后所增加的电感值如图4所示。图4增加快速熔断器后增加电感值的测量图当快速熔断器加入后，原母线排的尺寸就有变动，即铜制母线排的厚度为2mm和外包有0.2mm的绝缘布置于正负极轨道的两端。测试的电路如图5所示。图5用于测量熔断器所增加的电感值的试验电路电路的操作原理如下：电容器C1开始充电到预定的电压（即BOV），一个非常短的脉冲加到IGBT的门栅上（大约60μs）。然后非常快的打开IGBT。熔断器的电感是根据从电路的打开过程而测量到的电压和电流计算得到。图5所示为改变门-电阻RG时段电流梯度di/dt在控制打开电路过程中得到。图6所示为在电路打开时，测量到的电流例子。相应的电压如图7所示。测量到的两个电压与计算出的电压有一些差别，主要是由母线电压降和感应电压降引起的。图6电路打开时测得的电流图中所示的所有粗圆点为di/dt的计算值图7测量得到的电容器和IGBT电压值，以及它们之间与计算值的差别电流梯度是按实验数据为基础计算得出的，如图6所示。母线电感可由沿着电压峰值各点计算出di/dt。一个简单母线电压合格的di/dt给出了电路的电感。对于母线宽度为50mm、70mm和120mm简单母线的电感di/dt值列于表1所示。表1母线di/dt=4.3kA/μs测得的电感值母线宽度[mm]母线的电感值[nH]5070120212020表2所示为IGBT逆变器在母线上加装超快速熔断器增加电感值的参考值。表2额定电压为800伏[dc]增加的电感值母线宽度[mm]额定电流[A]增加的电感ΔL[nH]505070180380350192112图8所示为在超速熔断器在5Khz频率电流下所产生的直流谐波光谱波形图。图8在5kHz开关频率下的直流电流的谐波光谱图结论文章首先简介了IGBT逆变器在操作运行过程的电路中可能产生的几种短路电流的事故和区域。对现有的IGBT逆变器电路母线上安装快速熔断器后的要求。在IGBT逆变器电路的母线部分安装超快速熔断器后电感值增长的测量，并给出了安装在母线上所增长的电感数值。参考文献[1]F.Abrahamsen,C.Klumpner,F.Blaabjerg,K.Ries,H.Rasmussen-LowinductivefusesinDc-linkLnverterApplications.Proceed.OfPCIM2000,pp.523-528[2]F.Abrahamsen,C.Klumpner,F.Blaabjerg,K.Ries,H.Rasmussen-FuseprotectionofIGBT’sagainstrupture,Proceed,ofNORPIE2000,pp.64-68.