中國電工技術(shù)學會定于2016年7月10~11日在北京鐵道大廈舉辦“2016第十一屆中國電工裝備創(chuàng)新與發(fā)展論壇”，主題為“電工行業(yè)十三五規(guī)劃研究與解讀”。

廣西電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院、西安交通大學的研究人員李婧、黃晨曦等，在2015年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文，設(shè)計了一種適用于阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)的高壓半導(dǎo)體開關(guān)。此開關(guān)由兩個開關(guān)模塊和一個輔助供電系統(tǒng)組成，每個開關(guān)模塊又由10個相同的開關(guān)單元串聯(lián)組成。

其中，每個開關(guān)單元又可分為三部分：IGBT芯片及其均壓電路，IGBT門極驅(qū)動和隔離供電電源。單個開關(guān)模塊單獨工作時可耐受20kV直流電壓；兩個開關(guān)盤串聯(lián)工作耐壓可達40kV；開通時間小于250ns。通過一套新型松耦合式的反激電壓變換器為每個開關(guān)模塊單獨供電，在精簡空間的同時實現(xiàn)了多路輸出之間的高電壓隔離。

最后，將其應(yīng)用于30kV振蕩波測試系統(tǒng)中，實驗結(jié)果表明本開關(guān)具有優(yōu)良的性能，可應(yīng)用于30kV以下試品的振蕩波測試中。

對電力電纜進行局放測試是一種行之有效的電纜絕緣狀態(tài)評估方法。阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)(DOVTS)由于具有體積小，重量輕，且與交流電壓試驗具有很好的等效性等優(yōu)點，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于電力電纜的現(xiàn)場測試中。

如圖1所示，阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)由高壓直流電源，高壓開關(guān)，空心電抗器，電容性試品及高壓測量單元構(gòu)成，其中，高壓開關(guān)是DOVTS中的最重要組成部分。

試驗開始時，先通過高壓直流電源對電容性試品（XLPE電纜等）充電至預(yù)設(shè)電壓；然后閉合高壓開關(guān)，同時切斷高壓直流電源，此時，電容性試品通過空心電抗器經(jīng)高壓開關(guān)放電，電抗器與電容性試品組成串聯(lián)諧振電路，在試品上產(chǎn)生衰減振蕩的交流電壓，通常該振蕩電壓將持續(xù)幾十個周期，約數(shù)百毫秒。當試品上電壓降為零后，斷開高壓開關(guān)，接通直流高壓電源，即可進行下一次試驗。

圖1阻尼振蕩交流電壓試驗回路示意圖

目前常用的幾種高壓開關(guān)由于功率小，開關(guān)速度慢，開斷過程不穩(wěn)定或開關(guān)體積過大等原因，并不適用于阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，基于晶閘管、MOSFET和IGBT等元件的電力電子開關(guān)發(fā)展迅速。

最近20年里，不同種類的半導(dǎo)體開關(guān)大量應(yīng)用于脈沖功率，核聚變，靜態(tài)無功補償器（STATCOM）和牽引應(yīng)用。但是，上述多種高壓開關(guān)體積和重量都很大，因此并不能滿足阻尼交流振蕩波現(xiàn)場試驗的要求。

本文著重介紹了一種新型高壓電子開關(guān)的設(shè)計過程和使用方法。此高壓開關(guān)由2個開關(guān)模塊和一個輔助供電電源組成，每個開關(guān)模塊又由10個相互隔離的開關(guān)單元串聯(lián)組成。與傳統(tǒng)的高壓開關(guān)相比，此開關(guān)通過松耦合變壓器實現(xiàn)了各路IGBT之間的隔離供電。最終，實現(xiàn)的開關(guān)具有體積小，重量輕，價格低等優(yōu)點，便于進行現(xiàn)場試驗。

1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到阻尼交流振蕩波試驗系統(tǒng)的應(yīng)用情況，此開關(guān)應(yīng)滿足以下幾點要求：開關(guān)耐壓值達到30kV，導(dǎo)通電流不小于40A；開通時間小于1μs；體積小，重量輕，便于運輸。

本文所述高壓開關(guān)的結(jié)構(gòu)和連接方式如圖2所示，其主要兩個相同的開關(guān)模塊和一個單獨的供電系統(tǒng)組成。當最大試驗電壓小于20kV時，一個開關(guān)模塊單獨工作即可，當最大試驗電壓為30kV時，需將兩個開關(guān)模塊串聯(lián)使用。

每個開關(guān)模塊由多個IGBT及其輔助電路共同組成。為了實現(xiàn)每路開關(guān)單元的可靠供電同時減少體積，本開關(guān)設(shè)計了基于反激式開關(guān)變換器的多路隔離供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)將能量通過松耦合的方式從前級傳遞到后級，為每個IGBT單元單獨供電，且易于拓展。

觸發(fā)控制單元通過多路光纖對IGBT單元進行控制，采用同步觸發(fā)的方式避免了串聯(lián)IGBT的門極信號延遲帶來的動態(tài)分壓不均。當觸發(fā)電路產(chǎn)生“導(dǎo)通”信號時，多路光纖觸發(fā)器將同時產(chǎn)生光信號，光纖接收器接受到此光信號后同步對多路IGBT進行有效控制。

與此同時，一路光信號傳遞到高壓直流源的控制電路，切斷高壓直流電源。開關(guān)導(dǎo)通一定時間后（通常為幾百毫秒，由阻尼振蕩電壓持續(xù)時間決定）系統(tǒng)復(fù)位，IBGT重新恢復(fù)到斷開狀態(tài)。

圖2高壓開關(guān)整體結(jié)構(gòu)示意圖

1.1驅(qū)動電路

IGBT芯片的門極驅(qū)動電路如圖3所示，VH和VL分別為+15V和-8V，且具有相同的中性點，+15V電壓可以使IGBT迅速導(dǎo)通，-8V電壓可以使IGBT關(guān)斷時不受米勒效應(yīng)的影響，從而可靠關(guān)斷。

為了增強驅(qū)動電路拉電流和灌電流的能力，控制單元輸出側(cè)需通過推挽放大電路進行功率放大。試驗結(jié)果如圖4所示，當門極電阻過小時，門極驅(qū)動電壓VGE出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象；當門極電阻過大時，門極驅(qū)動電壓VGE上升緩慢，從而大大影響IGBT動作速度。經(jīng)過綜合考慮，最終選取門極電阻為5.1Ω。

圖3驅(qū)動電路電路圖

為了減少門極信號的分散性，本文通過多路光纖傳輸系統(tǒng)以確保每個觸發(fā)信號到達IGBT門極時間基本相同，并選用了同一型號，同一時期，同一生產(chǎn)線上的器件以減少器件本身的分散性。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，各個IGBT門極信號的延時時間基本相同，誤差在20ns以內(nèi)。圖4為其中一路開關(guān)單元的觸發(fā)信號和IGBT門級信號的波形圖，可以看出觸發(fā)信號動作到門級電壓上升之間的時間約為460ns。

圖4驅(qū)動電路測試波形

1.2供電單元設(shè)計

每個開關(guān)盤上都有10個開關(guān)單元，當兩個開關(guān)盤串聯(lián)使用時共有20個IGBT同時工作，因此一共需要20路相互隔離的電源來為其供電。文獻中介紹了一些隔離供電的方法，但是這些方法很難做到小型化。因此，本文提出了一種簡潔的拓撲結(jié)構(gòu)和新的控制策略。電路中僅用了一個半導(dǎo)體開關(guān)M1，即減少了體積又提高了可靠性。

從圖5可以看出，220V市電經(jīng)降壓變壓器Tr1降壓到適當電壓范圍，后整流再穿過2個鐵氧體磁芯。通過控制MOSFET的通斷來改變回路中的電流，從而改變鐵氧體磁芯中的磁場強度，進而使二次側(cè)線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，使能量從一次側(cè)傳遞到二次側(cè)。

鐵氧體磁芯是本供電系統(tǒng)的核心元件，其作為能量傳輸?shù)年P(guān)鍵，采用松耦合的方式，在狹小范圍內(nèi)實現(xiàn)里輸入輸出隔離，且具有很強的可拓展性。同時，采用功率因數(shù)控制技術(shù)，保證一次側(cè)電流時刻跟隨整流濾波電壓波形，提高能量傳輸效率的同時減少了電流峰值，防止松耦合變壓器的磁芯飽和，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖5供電單元電路圖

圖6所示的是電路中關(guān)鍵點的理論波形，UT為整流橋輸出電壓波形，iP是一次側(cè)電流波形，iS是二次側(cè)電流波形，uP是一次側(cè)電壓波形，ug是MOSFET的門極驅(qū)動信號。由圖6可以看出，當二次側(cè)電流降為0時，閉合半導(dǎo)體開關(guān)，即電路工作于即時模式（Transientmode）。

控制器采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，通過一個電流傳感器對一次側(cè)電流進行采樣和電阻分壓器對原邊電壓采樣；外環(huán)為電壓環(huán)，由反饋電路和PI補償器構(gòu)成。內(nèi)外環(huán)電路相互配合以確保二次側(cè)輸出電壓恒定。

圖6關(guān)鍵點理論波形

2、開關(guān)模塊的實際設(shè)計

最終設(shè)計成型的高壓電力電子開關(guān)由三部分組成：兩個開關(guān)模塊和一個輔助電路板。輔助電路板由兩部分組成：供電單元前級和光纖傳輸部分。光纖傳輸部分包含多個光前發(fā)射器及其輔助電路，可對開關(guān)模塊進行控制；供電電路主要包含降壓變壓器、整流電路及功率因數(shù)校正電路，其通過一根高壓硅橡膠絕緣線穿過開關(guān)模塊中間的磁芯，實現(xiàn)了多路IGBT之間的隔離供電。

如圖7所示，每個開關(guān)盤由10路IGBT單元組成，每個IGBT單元又可細分為電源模塊、驅(qū)動模塊、IGBT及其輔助均壓電路。IGBT輔助均壓電路由靜態(tài)均壓電路和動態(tài)均壓電路共同組成，動態(tài)均壓電路由7個相同的TVS管串聯(lián)構(gòu)成，以抑制可能出現(xiàn)在IGBT兩端的瞬態(tài)過電壓，靜態(tài)均壓電路由多個兆歐級電阻串聯(lián)構(gòu)成。為了確保不同電位之間有足夠的電氣距離，開關(guān)盤在需要高電壓隔離的位置刻槽以增加其爬電距離。

圖7高壓電子開關(guān)實物圖

在滿載狀態(tài)下對電源進行測試，其波形如圖8所示。由圖8可以看出電路輸出電壓約為18V，與設(shè)計值相符；由圖8可以看出一次側(cè)電流波形的包絡(luò)線為正弦，且與整流橋輸出電壓相位相同；圖8表示的是一次側(cè)電流波形與MOSFET的門極驅(qū)動信號之間的關(guān)系，當MOSFET開通時，一次側(cè)電流沿直線上升到最大值7.5A，當MOSFET關(guān)斷時，其迅速降為0；由圖8可以看出在MOSFET關(guān)斷瞬間，其兩端會出現(xiàn)一個尖峰，這是由一次側(cè)的雜散電感和其寄生電容產(chǎn)生振鈴效應(yīng)所引起的。

圖8供電單元測試結(jié)果

3、應(yīng)用與實驗結(jié)果

如圖9所示，將本開關(guān)應(yīng)用于30kV阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)用以檢測其性能。試驗回路參數(shù)如下：所用電感為760mH無局放空芯電抗器，采用500nF無局放高壓電容等效一定長度的電纜試品。

通過計算可得，電路的諧振頻率為

產(chǎn)品︱30kV阻尼交流振蕩波測試系統(tǒng)用新型電力電子開關(guān)的研制

從圖10可以看出，觸發(fā)信號到達前IGBT集電極電壓線性增大，觸發(fā)動作給出后，被測開關(guān)單元幾乎同時導(dǎo)通，表明IGBT的靜態(tài)均壓與動態(tài)均壓效果都到達的預(yù)期目標，且開關(guān)動作速度快，一致性好。最終得到試品電容上的振蕩波電壓如圖10所示，衰減振蕩電壓經(jīng)過10-11個周波后衰減至半峰值處，說明振蕩回路中阻抗很小，在以后的電纜局放測試中，其能夠激發(fā)出電纜中的潛在缺陷，增強了本振蕩波測試系統(tǒng)的有效性。

圖9試驗電路圖

圖10實驗結(jié)果

本系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計理念，設(shè)計了一個由2個開關(guān)模塊和一個供電單元三部分組成的輕型電力電子開關(guān)。

供電系統(tǒng)通過松耦合的方式在狹小范圍內(nèi)實現(xiàn)了輸入輸出隔離，既保證了50kV等級的隔離電壓又縮減了整體尺寸，大大提高了多路隔離供電系統(tǒng)的集成度，且其具有很強的可擴展性，能為多個串聯(lián)運行的IGBT同時供電。本文在滿載狀態(tài)下對此多路輸出隔離供電系統(tǒng)進行測試，試驗結(jié)果表明該供電方案完全可以滿足本裝置的要求。

最后將高壓開關(guān)接入一個阻尼交流振蕩波發(fā)生系統(tǒng)進行整體測試，試驗電壓為30kV時，高壓開關(guān)中各路開關(guān)單元工作正常，且其均壓效果良好。試驗表明，本文設(shè)計的高壓電力電子開關(guān)適用于35kV以下配電電纜的振蕩波測試試驗中。