基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法

温伟杰; 靳鹤志; 范晶涵; 杨赫; 李斌

doi:10.7500/AEPS20231031003

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法

研制与开发 | 更新时间：2025-06-16

- 基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法
- Dynamic Current Sharing Method for Parallel IGBTs in DC Circuit Breaker Based on Optimization of Layout and Stray Inductance
- 电力系统自动化 2024年48卷第15期页码：131-140
- 作者机构：
  
  1.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津市 300072
  2.国网天津市电力有限公司，天津市 300010
- 作者简介：
  
  温伟杰(1989—)，女，博士，副教授，主要研究方向：直流开断与直流系统故障穿越。E-mail：weijie.wen@tju.edu.cn
  靳鹤志(1999—)，女，硕士研究生，主要研究方向：直流电网保护技术。E-mail：hezhijin@tju.edu.cn
  范晶涵(1999—)，女，通信作者，博士研究生，主要研究方向：发电机出口故障电流分析、发电机出口断路器。E-mail：fanjh@tju.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家电网公司科技项目(5108-202218280A-2-370-XG);国家自然科学基金资助项目(52277120)
- DOI：10.7500/AEPS20231031003
  中图分类号：
- 收稿：2023-10-31，
  
  修回：2024-02-26，
  
  网络出版：2024-06-13，
  
  纸质出版：2024-08-10
- 稿件说明：
移动端阅览
温伟杰,靳鹤志,范晶涵等.基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法[J].电力系统自动化,2024,48(15):131-140.

WEN Weijie,JIN Hezhi,FAN Jinghan,et al.Dynamic Current Sharing Method for Parallel IGBTs in DC Circuit Breaker Based on Optimization of Layout and Stray Inductance[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):131-140.
温伟杰,靳鹤志,范晶涵等.基于空间布局和杂散电感优化的直流断路器并联IGBT动态均流法[J].电力系统自动化,2024,48(15):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20231031003.

WEN Weijie,JIN Hezhi,FAN Jinghan,et al.Dynamic Current Sharing Method for Parallel IGBTs in DC Circuit Breaker Based on Optimization of Layout and Stray Inductance[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(15):131-140. DOI： 10.7500/AEPS20231031003.

摘要

与压接式绝缘栅双极型晶体管(IGBT)相比，模块式IGBT具有成本低、不需要单独压装结构、安装方便、故障后呈开路等特点，是750 V/1 500 V混合式直流断路器中的核心元件。然而，受限于单个模块式IGBT器件的标称开断能力，多个模块式IGBT的并联均流技术是实现10 kA级直流开断的关键。文中从理论上分析了IGBT器件、缓冲电路和快速真空开关的空间排布位置对换流速度、动态均流、关断过电压等性能的影响。分析表明，从减少换流难度角度考虑，快速真空开关应与IGBT就近并联；从降低关断过电压角度考虑，各并联IGBT应采用分布式缓冲电路结构。进一步，考虑空间磁场耦合作用，建立了并联IGBT的动态开断电路模型，分析了并联IGBT动态开断性能的影响因素，发现增大子模块支路杂散电感、降低避雷器残压可有效提高并联IGBT的动态均流性能；子模块间负耦合电感可有效抑制IGBT关断过电压。最后，为兼顾换流速度、动态均流、关断过电压抑制等，提出了缓冲电路、IGBT、快速真空开关就近并联构成子模块，子模块再经电感并联的混合式直流断路器拓扑方案，并进行了仿真验证和1.5 kV/3 kA试验验证。

Abstract

Compared with the press-pack insulated gate bipolar transistor (IGBT)

the modular IGBT has the characteristics of low cost

no need for the separate pressing structure

easy installation

and open circuit after failure

which is the key component in 750 V/1 500 V hybrid DC circuit breaker. However

limited by the nominal breaking ability of a single modular IGBT device

the current sharing technology of multiple parallel modular IGBTs is the key to achieving 10 kA-level DC breaking. In this paper

the influences of the spatial arrangement of IGBT devices

snubber circuits

and fast vacuum switches on the performance of the commutation speed

dynamic current sharing

and turn-off overvoltage are analyzed theoretically. The results show that

from the perspective of reducing the difficulty of commutation

the fast vacuum switch should be in parallel with IGBT as closely as possible. From the perspective of reducing the turn-off overvoltage

the IGBTs should be in parallel with the decentralized snubber circuit. Further

considering the coupling effect of the space magnetic field

the dynamic breaking circuit model of parallel IGBTs is established

and the factors affecting the dynamic breaking performance of parallel IGBTs are analyzed. It is found that increasing the branch stray inductance of the submodule and reducing the residual voltage of the arrester can improve the dynamic current-sharing performance of parallel IGBTs effectively

and the negative coupling inductance between submodules can suppress the turn-off overvoltage of IGBTs effectively. Finally

considering the commutation speed

dynamic current sharing

and turn-off overvoltage suppression

a hybrid DC circuit breaker topology is proposed. In the topology

the snubber circuit

IGBTs

and fast vacuum switches are connected in parallel to form submodules

and the submodules are then connected in parallel by inductors. Simulation verification and the 1.5 kV/3 kA test validation have been conducted.

关键词

Keywords

references

张大海，杨宇辰，梁晨光，等 . 基于改进直流断路器注入信号的柔直电网自适应重合闸方案［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 8 ）： 123 - 132 .

ZHANG Dahai ， YANG Yuchen ， LIANG Chenguang ， et al . Adaptive reclosing scheme for flexible DC power grid based on improved DC circuit breaker injecting signal ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 8 ）： 123 - 132 .

杨媛，文阳，李国玉 . 大功率IGBT模块及驱动电路综述［J］. 高电压技术， 2018 ， 44 （ 10 ）： 3207 - 3220 .

YANG Yuan ， WEN Yang ， LI Guoyu . Review on high-power IGBT module and drive circuit ［J］. High Voltage Engineering ， 2018 ， 44 （ 10 ）： 3207 - 3220 .

余占清，曾嵘，屈鲁，等 . 混合式直流断路器的发展现状及展望［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 8 ）： 2617 - 2626 .

YU Zhanqing ， ZENG Rong ， QU Lu ， et al . Development status and prospect of hybrid DC circuit breaker ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 8 ）： 2617 - 2626 .

LAZZARI R ， PIEGARI L . Design and implementation of LVDC hybrid circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2019 ， 34 （ 8 ）： 7369 - 7380 .

YU Z Q ， GAN Z Z ， QU L ， et al . Natural commutation type hybrid DC circuit breaker based on hybrid mechanical gaps ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2023 ， 38 （ 3 ）： 1848 - 1858 .

ZEN S ， INADA Y ， OHNISHI W ， et al . Prototype current-limiting hybrid DC circuit breaker incorporating a fuse and a semiconductor device ［J］. IEEE Transactions on Power Delivery ， 2021 ， 36 （ 4 ）： 2231 - 2233 .

朱童，余占清，曾嵘，等 . 混合式直流断路器模型及其操作暂态特性研究［J］. 中国电机工程学报， 2016 ， 36 （ 1 ）： 18 - 30 .

ZHU Tong ， YU Zhanqing ， ZENG Rong ， et al . Transient model and operation characteristics researches of hybrid DC circuit breaker ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2016 ， 36 （ 1 ）： 18 - 30 .

WEN W J ， HUANG Y L ， LI B ， et al . Technical assessment of hybrid DCCB with improved current commutation drive circuit ［J］. IEEE Transactions on Industry Applications ， 2018 ， 54 （ 5 ）： 5456 - 5464 .

张智辉，吴翊，吴益飞，等 . 直流断路器并联IGCT通断特性［J］. 高电压技术， 2020 ， 46 （ 11 ）： 3871 - 3878 .

ZHANG Zhihui ， WU Yi ， WU Yifei ， et al . On-off characteristic of parallelly connected IGCT in a DC circuit breaker ［J］. High Voltage Engineering ， 2020 ， 46 （ 11 ）： 3871 - 3878 .

周文鹏，曾嵘，赵彪，等 . 大容量全控型压接式IGBT和IGCT器件对比分析：原理、结构、特性和应用［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2940 - 2956 .

ZHOU Wenpeng ， ZENG Rong ， ZHAO Biao ， et al . Comparative analysis of large-capacity fully-controlled press-pack IGBT and IGCT： principle， structure， characteristics and application ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 8 ）： 2940 - 2956 .

彭程，李学宝，范迦羽，等 . 压接型IGBT器件内部杂散电感差异对瞬态电流分布影响规律研究［J］. 电工技术学报， 2023 ， 38 （ 11 ）： 2850 - 2860 .

PENG Cheng ， LI Xuebao ， FAN Jiayu ， et al . Effect of stray inductance difference on transient current distribution in press-pack IGBT devices ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2023 ， 38 （ 11 ）： 2850 - 2860 .

LI H L ， ZHOU W ， WANG X F ， et al . Influence of paralleling dies and paralleling half-bridges on transient current distribution in multichip power modules ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2018 ， 33 （ 8 ）： 6483 - 6487 .

WANG J P ， CHEN W J ， ZHANG J ， et al . A novel approach to model and analyze uneven temperature distribution among multichip high-power modules and corresponding method to respecify device SOA ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 4 ）： 4626 - 4640 .

李科峰，肖飞，刘计龙，等 . 多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压方法［J］. 电力系统自动化， 2022 ， 46 （ 2 ）： 163 - 170 .

LI Kefeng ， XIAO Fei ， LIU Jilong ， et al . Voltage balancing method of series-connected IGBTs for multi-level active neutral point clamped inverter ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2022 ， 46 （ 2 ）： 163 - 170 .

ZHONG Y ， ROSCOE N M ， FINNEY S J ， et al . MMC with parallel-connected MOSFETs for LVDC distribution networks ［C］// 8th IET International Conference on Power Electronics， Machines and Drives （PEMD 2016）， April 19-21 ， 2016 ， Glasgow， UK .

PENG C ， LI X B ， FAN J Y ， et al . Experimental investigations on current sharing characteristics of parallel chips inside press-pack IGBT devices ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2022 ， 37 （ 9 ）： 10672 - 10680 .

范迦羽，郑飞麟，王耀华，等 . 计及热阻与发射极电感匹配的并联IGBT芯片稳态结温均衡方法［J］. 电工技术学报， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3028 - 3037 .

FAN Jiayu ， ZHENG Feilin ， WANG Yaohua ， et al . Steady temperature equalization method for the parallel IGBTs considering the thermal resistance and the matching emitter parasitic inductance ［J］. Transactions of China Electrotechnical Society ， 2022 ， 37 （ 12 ）： 3028 - 3037 .

JONES G T ， SIWAKOTI Y P ， ROGERS D J . Active gate drive to increase the power capacity of hard-switched IGBTs ［J］. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics ， 2021 ， 9 （ 2 ）： 2247 - 2257 .

LI H L ， MUNK-NIELSEN S ， BECZKOWSKI S ， et al . A novel DBC layout for current imbalance mitigation in SiC MOSFET multichip power modules ［J］. IEEE Transactions on Power Electronics ， 2016 ， 31 （ 12 ）： 8042 - 8045 .

ZHANG J K ， LEI E T ， JIN L ， et al . Variable amplitude gate voltage synchronous drive technique for improving dynamic current balancing in paralleled IGBTs ［J］. Energies ， 2023 ， 16 （ 14 ）： 5306 .

HUANG X J ， MU F ， LIU Y X ， et al . Asynchronous gate signal driving method for reducing current imbalance of paralleled IGBT modules caused by driving circuit parameter difference ［J］. IEEE Access ， 2021 ， 9 ： 86523 - 86534 .

LI Z F ， NISHIDA N ， AOKI H ， et al . Design the phase output bar for improving static current sharing among parallel IGBTs in high power stack application ［C］// 2022 International Power Electronics Conference ， May 15-19 ， 2022 ， Himeji， Japan .

YI Q ， YANG F ， ZHUANG W B ， et al . Transient current balancing of parallel IGCTs in 10-kV/10-kA hybrid DC circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2023 ， 70 （ 10 ）： 10055 - 10065 .

IGBT discrete products introduction of Infineon ［EB/OL］. ［ 2023-09-20 ］. https：//www.infineon.com/cms/cn/product/power/igbt/igbt-discretes/ https://www.infineon.com/cms/cn/product/power/igbt/igbt-discretes/ .

CHEN Z Y ， YU Z Q ， ZHANG X Y ， et al . Analysis and experiments for IGBT， IEGT， and IGCT in hybrid DC circuit breaker ［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics ， 2018 ， 65 （ 4 ）： 2883 - 2892 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

基于无功电流补偿的直驱风机故障后过电压抑制策略

考虑过电压抑制的特高压直流弱送端系统无功控制策略