新型IGBT乐鱼器测试分析及其在同步发电机
开关式励磁系统中的应用

周增堂 1 ，胡红彬 2 ，李明乾 3 ，石耀宇 4

(1．安康市水利水电土木建筑勘测设计院，陕西安康 725000 ； 2．西安理工大学电力工程系，西安 710048 ； 3．陕西省宝鸡峡引渭灌溉管理局，陕西咸阳 712000 ； 4．西北水电勘测设计院，西安 710065)

摘要： 介绍了 IGBT 乐鱼的要求，列举了目前广泛使用的 IGBT 乐鱼器的一些不足，提出了测试 IGBT 乐鱼器性能的几种方法，并对新型 IGBT 乐鱼 TX-KA101 进行了测试。测试结果表明， TX-KA101 输出乐鱼电压合理，具有 IGBT 过流三段式保护，慢关断时间和过压保护阀值可调。最后将 TX-KA101 应用到同步发电机开关式励磁系统中，起励和 10% 扰动试脸表明 TX-KA101 满足该系统 IGBT 乐鱼的要求。

关键词： IGBT 乐鱼 ;TX-KA101; 三段式过流保护 ; 开关式励磁

中图分类号： TM761 文献标识码： A

1 引言

IGBT 具有电压型乐鱼、乐鱼功率小、开关速度高、饱和压降低和可耐高电压、大电流等优点，是较理想的大功率开关器件。为保证 IGBT 可靠地工作和保护 IGBT 不被损坏， IGBT 的乐鱼和保护电路十分重要。

2 IGBT 乐鱼

2.1 IGBT 乐鱼及保护基本要求

IGBT 的乐鱼及有效保护主要有两个方面，即正常工作状态下的乐鱼和故障状态下的保护。

（ 1 ）正常工作状态下，要保证 IGBT 能可靠开通和关断，并且开通和关断速度能达到电路要求。一般要求开通正偏压为 15 V ± 10% ，关断负电压为 – 2~– 10 V 。在高压大电流情况下，由于干扰而可能使得截止的 IGBT 误导通，推荐高压大电流电路中的 IGBT 关断负电压为 – 8 V– 12 V ；

（ 2 ）当 IGBT 出现过电流故障时，很可能其导致偏离安全工作区，造成 IGBT 的损坏，这时要求保护起到切实作用。 IGBT 只能承受很短时间的短路电流，其能承受短路电流的时间随饱着和压降的增加而延长。当 IGBT 出现过流故障时，如果立即将其关断，将产生很高的关断电压，所以比较理想的短路保护方案是所谓的“三段式保护”：出现过电流时立即降低栅压 ( 或增设一个小的死区时间 ) ，使过电流值不能达到最大短路峰值，这样可以避免 IGBT 出现锁定损坏。随着栅极电压降低， IGBT 进人放大区，其饱和压降增加，在短路承受时间延长的这段时间内，判断是否是真故障过电流。如果是瞬时过电流，可在过电流结束后立刻将栅压恢复到正常值；如果真过电流，可在延长时间的末端将栅极电压慢降到零或一个较小的负电压，使得过电流被封锁。从以上可以看出，“三段式保护”的优点是可以区别长期故障和瞬时故障，长期故障时可以将 IGBT 慢关断；瞬时故障时可以在故障消除后让 IGBT 恢复正常工作。

2. 2 目前广泛使用的 IGBT 乐鱼器存在的问题

目前 IGBT 广泛使用的集成乐鱼器主要有富士公司的 EXB841 和三菱公司的 M57962 。实践中证明， EXB841 主要有以下缺点：

（ 1 ）关断负电压为 – 5V 且不可调。如前所述， – 5 V 关断电压往往不能实现快速可靠关断大功率 IGBT 的要求；

（ 2 ）集射极电压保护阈值过高且不可调。 EXB841 的集射极电压保护阈值在 7. 5 V 左右，远高于 IGBT 器件的饱和压降，实践证明，此值过高；

（ 3 ）慢关断时间无法调节。 M57962 的主要缺点是它需要两个供电电源，这样不仅增加了乐鱼电路的复杂性，也增加了乐鱼电路的不可靠性。而且它适用的最大开关频率为 20 kHz ，在追求高开关频率的场合下开关频率可能达不到要求。

2. 3 新型 IGBT 乐鱼器— TX–KA101

TX–KA101 （以下简称 KA101 ）是单管大功率 IGBT 模块乐鱼器（可乐鱼 300A/1200V 或 600A/600V IGBT 一只 ) ，其原理框图如图 1 所示。它具有三段式完善的过电流保护功能，可根据需要调节盲区时间、降栅压斜率、延迟判断时间、软关断的速度、故障后再次启动的时间，使用单一电源，外部元器件少。

图 1 KA101 原理框图

3 乐鱼应用电路

乐鱼应用电路如图 2 所示。图中，电容 C 1 设置短路故障发生后，乐鱼器再次输出乐鱼信号的间隔时间； C 7 设置保护的盲区时间； C 2 设置初始栅压开始降低到乐鱼器开始软关断 IGBT 之间的时间； C 3 设置将栅压降低所用的时间。栅压降低后，乐鱼器的 10 脚输出低电平预警信号，接一个光耦 Photo2 ，将此信号传送给控制器。 C 8 设置慢关断开始时到乐鱼电压降到 0 的时间。慢关断开始后，乐鱼器封锁输人 PWM 信号。慢关断开始的时刻，乐鱼器的 12 脚输出低电平报警信号，经过光藕 Photol ，将信号传送给控制器。 C 4 、 C 5 、 C 6 是滤波电容。 R 5 设定触发过流保护动作电压。

图 2 乐鱼应用图

4 乐鱼测试及其输出波形

4. 1 正常输出波形的测试

正常输出波形的测试主要测试乐鱼器正常情况下的输出幅值，以确定乐鱼器的乐鱼性能。测试电路如图 2 所示。设置 DSP 输出频率为 10 kHz ，占空比为 0. 5 的方波信号。此时KA101 的输出如图 3 所示。

图 3 正常时KA101 的输出波形

由图 3 可以看出， KA101 输出正电平约为 13. 8 V ，负电平约为 – 8. 2 V 。这使得 KA101 能良好地实现 IGBT 正常工作时的乐鱼与关断。

4. 2 短路时候输出波形的测试

4. 2. 1 突然短路时输出波形的测试

突然短路测试主要测试 IGBT 突然短路时，乐鱼器能否及时正确判断短路和如何处理短路。短路测试电路如图 4 所示。为了保护 IGBT 不致损坏，乐鱼采用大功率直流电源来进行模拟短路试验 . 图中 R 为限流电阻 ,C 为保护电容， Dhv 为快恢复二极管， K 为短路开关。

图 4 短路测试电路

测试时， DSP 输出 10 kHz 方波信号。突然闭合开关 K ，这时当 KA101 输出高电平时， IGBT 发生过流。记录 K 闭合前后 KA101 输出波形如图 5 所示。由图中看出， KA101 的输出为先降栅压到 8. 5 V 左右，再延时判断短路后慢关断，并闭锁源信号。慢关断后 KA101 的输出电压约为 - 4. 8 V 。所以，在 IGBT 发生过电流情况时， KA101 能实现三段式过流保护。

图 5 IGBT 突然短路时 KA101 输出波形

4. 2. 2 长时间短路浏试

长时间短路测试主要测试 IGBT 长时间短路时，乐鱼器对短路的判断和处理情况。由于 IG-BT 短路可能是短时的，所以一般要求乐鱼器在判断 IGBT 短路并动作的一段时间后将乐鱼器源信号的闭锁解除。长时间短路时候测试电路同图 4 。测试时， DSP 输出 l0 kHz 方波信号，闭合开关 K ，记录 KA101 的输出波形如图 6 所示， KA101 本身带有短路动作再启动功能，并且再启动时间可调。从图中可以看出， IGBT 长时间短路时， KA101 能在再启动时间内闭锁控制器的输出，而后重新开放。

4. 2. 3 KA101 在同步发电机开关式励磁中的应用

开关式励磁系统主回路工作原理是 :

由于 IGBT 在开关式励磁中起到控制励磁电压大小的重要作用，并且一旦 IGBT 损坏，励磁系统将不能工作，发电机必须停机，所以，为了发电机的正常运行，必须使 IGBT 能正常开断和不被损坏，就必须选择优良的 IGBT 乐鱼保护电路。

图 6 IGBT 长时间短路时 KA101 输出波形

本文以 TMS320F2812 DSP 作为励磁控制器，设计开关式励磁系统总体结构如图 7 所示。发电机机端电压和定子电流分别经 PT,CT 后经交流调理电路调理，提供给 DSP 交流采样，可以测得发电机的机端电压 U 和定子电流 I 。励磁电压和励磁电流经过直流调理电路后提供给 DSP 直流采样，获得励磁电压 U L 和励磁电流 I L 。同时，机端电压和定子电流信号分别经 PT,CT 后经方波形成电路后形成同频率方波信号后分别提供给 DSP 的两个捕获单元，用来测发电机频率 f 和相角，再利用已经测得的 U 和 I ，计算得发电机的有功功率 P 和无功功率 Q 。并采用定时器比较中断和周期中断发定周期 PWM 脉冲。

图 7 同步发电机 IGBT 开关式励磁系统总体结构

本文在实验室的一台 3 kW 小型发电机上初步试验了 KA101 在同步发电机开关式励磁系统中的应用。励磁控制器采用 DSP ，控制回路如图 2 所示。在实验室的小型同步发电机作零起升压试验和 10% 上扰、下扰试验，记录波形分别如图 8 ，图 9 和图 10 所示。从图 8 中可以看出，同步发电机起励时间为 1. 2 s ，起励过程中机端电压上升平稳，励磁电流有小幅摆动，起励成功后机端电压和励磁电流平稳。从图 9 和图 10 中可以看出，发电机 10% 上扰、下扰几乎无超调，调节速度快，调节平稳。

图 8 起励波形

图 9 上扰 10% 波形图

图 10 下扰 10% 波形图

5 结论

针对目前广泛使用的 IGBT 乐鱼器的缺陷，本文测试了新型 IGBT 乐鱼器—— KA101 。测试结果表明， KA101 能良好地乐鱼 IGBT ，当 IGBT 发生各类故障时，能可靠地对改变输出，同时给控制器发出 IGBT 故障信号，从而保护 IGBT 不被损坏。在此基础上将其应用到同步发电机开关式励磁系统中，取得了良好的效果。

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