直流限流器中IGBT关断时过电压的研究

　　1 引言

　　近年来电力系统的安装容量越来越大，随着短路电流的增加，研制短路分断能力很强的断路器不仅在技术上困难重重，而且在经济上造价昂贵，而采用“限流器+断路器”方式的复合式保护装置是较佳的技术方案，其核心技术是限流技术，即限制短路电流的上升，把它抑制在允许范围内，再通过断路器分断，以实现系统短路电流的保护。限流器在平时零阻抗状态、故障时高阻态，动作过程中需要把电流从导通状态转移到限流电阻上，而这个转移过程的转换用可控功率半导体器件，它有着控制简单、快速、无损耗等很多优点。IGBT容易并联导通更大的电流，并且使用技术成熟，适合应用于这个电流的转移过程。但是IGBT关断时线路分布电感会产生一个尖峰很大的电压加在IGBT两端。随着电流等级的增加di/dt越来越大，过电压也会增加。本文介绍了限流器的原理，分析了过电压的产生过程，通过计算表明了电路中电感、电容、电阻等主要参数对过电压的影响，对吸收电容的参数选取有着实际意义。

　　2 过电压的产生及抑制策略

　　2.1 限流器的结构原理

　　故障产生时负载短路，直流电压的作用下线路电流上升。其上升速度和线路电感有关，最大值和线路电阻有关。对于小型直流电力系统，线路电阻非常小，短路时电流很大且没有熄弧的过零点。为了关断这个大的短路电流，需要先加入一个限流器使故障电流转移到限流电阻中，从而限制短路电流。

　　如图1，断路器断开的同时半导体开关触发开通。在弧压的作用下，电流会转移到半导体开关的回路;断路器的电流减小，直到开距增大弧压难于维持而熄灭;然后关断半导体开关，电流转移到限流电阻中。

　　2.2 过电压的产生及吸收回路的选择

　　限流器的内部，IGBT关断时电流很快减小，这时变化的电流转移到限流电阻中，电感两端会产生一个过电压。由于限流电阻的功率很大，尺寸的大小直接导致了这个回路的电感大，产生的电压是非常大的。为了减小过电压，可以并联一个回路分流这个瞬时变化的电流，这个回路只要满足在直流时不导通，不影响主回路;在电流突变时发挥作用，分流限流电阻的电流。

　　任何支路可以看成R、L、C组合，为了达到以上效果，可以并联一个电容回路，也可以并联一个非线性电阻回路。直接把电容并联在IGBT两端，在电流突变时，电容可以吸收大量的电流，而在没有突变时这条支路是断开的;或者并联一个ZnO压敏电阻，也可以在平时电压小时电阻很大，过电压高于压敏电阻的电压，则表现为低阻抗，可以分流。不过任何一个并联支路不可避免的有引线电阻和电感，它们与回路和电流变化也会产生电压，使得分流关系以及回路电压变的很复杂。