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user: 3. 断路器参数设计 针对配电网的运行要求，根据本文断路器的结构特点对固体断路器的主要参数进行具体的设计，确定二极管模块和IGBT模块所需的元件及串并联数量，计算均压电路中电容和电阻的参数，设定缓冲支路MOV的压敏电压U NMOV 。 3.1. IGBT和二极管的选取 本文选用了RM500HA-24 (2H)型整流二极管和CM300DY-24H型IGBT作为二极管模块和IGBT模块的构成元件。RM500HA-24 (2H)型整流二极管主要参数为：I F(AV) = 500 A，V RRM = 1600 V。CM300DY-24H型IGBT的主要参数为：I C = 300 A，I CM = 600 A，V CE = 1200 V。其中，I C 是IGBT集电极额定直流电流；I CM 是最大集电极电流；V CE 是IGBT最大承受电压；V RRM 是二极管反向重复峰值电压；I F(AV) 是二极管正向平均电流。 首先确定断路器的额定电压，计算单条支路上元件的串联数量。断路器承受的单相电压峰值 U ϕ m = 2 ∗ U N / 3 。断路器是由电力电子元件组成的，参考文献 [ 9 ] [ 10 ] 的整定标准，电力电子元件的额定电压需留出2~3倍安全裕量，额定电流留出1.5~2倍安全裕量，故断路器的额定电压为： U e = ( 2 ~ 3 ) ∗ U ϕ m = ( 2 ~ 3 ) ∗ 2 ∗ U N 3 (1) 式中，U e 是断路器额定电压；U ϕ m 是单相电压峰值；U N 是配电网线电压。 二极管的串联数n 1 可由下式求出： n 1 = ⌈ U e V RRM ⌉ (2) IGBT的串联数n 2 可由下式求出： n 2 = ⌈ U e V CE ⌉ (3) 式(2)、(3)中，n 1 是串联二极管的数量；n 2 是串联IGBT的数量； ⌈ ⌉ 是向上取整运算符号。 然后计算并联支路数，因为二极管的额定电流是电流平均值，所以需将电流有效值转化为平均值。由短路电流有效值可以得到流经断路器的峰值电流 I m = 2 ∗ I f ，每个二极管模块只流过半个周期的电流，电流平均值和峰值的关系为： I dd = 1 2π ∫ 0 T 2 ( I m sin ω t ) d ( ω t ) = I m π (4) 式中，I dd 是流过二极管模块的电流平均值；I m 是流经断路器的电流峰值。 二极管模块的并联支路数n 3 可由下式求出： n 3 = ⌈ ( 1.5 ~ 2 ) ∗ I dd I F ( AV ) ⌉ (5) IGBT模块最大集电极电流必须不小于短路电流峰值，所以IGBT模块额定电流最小应满足为： I dg = I m (6) 式中，I dg 是流过IGBT模块的额定电流峰值。 IGBT模块的并联支路数n 4 可由下式求出： n 4 = ⌈ ( 1.5 ~ 2 ) ∗ I dg I CM ⌉ (7) 将配电网电压U N = 10 kV、短路电流I f = 20 kA代入式(1)~(7)中可得n 1 = 11~16，n 2 = 14~21，n 3 = 27~36，n 4 = 71~95，所以二极管模块的并联支路取27条，每条支路串联11个二极管；IGBT模块的并联支路取71条，每条支路串联14个IGBT。此时断路器的额定电压为U e = 16.3 kV，额定电流为I e = 21.3 kA，最大开断电流I emax = 42.6 kA。 3.2. 均压电路的参数设计 IGBT性能虽然已经取得了很大的进步，但是目前商用的IGBT仍不能满足电力系统的耐压要求。IGBT的串并联是提高模块容量最简单有效的方法，然而IGBT的串并联问题十分复杂，分压分流的影响因素众多，如IGBT自身参数不一致、外围电路参数不一致、栅极驱动电路信号不一致以及电路的布局和IGBT的工作温度等。为了解决串并联IGBT均压和均流问题，国内外已有大量相关研究 [ 11 ] - [ 16 ] 。 本文在此基础上设计了改进型RCD电路，它弥补了传统RCD电路的不足，不仅可以同时保障动、静态过程的电压平衡，还不会造成集电极电流上升。改进型RCD电路工作原理如图3所示，电路根据功能划分为动态和静态均压电路两部分。为了尽可能地减小串并联均压、均流不平衡，断路器最好使用同一批次参数相同的电子元件，采用元件对称布局以及增加散热装置。 图3. 改进型RCD电路工作原理 3.2.1. 动态均压电容和电阻选取 RCD电路中动态均压电路部分如图3(a)、图3(b)所示，由二极管、电容、晶闸管和电阻组成，关断时刻由C-D电路对电容充电，起关断缓冲作用，电流流向如图3(a)中的箭头方向；IGBT导通完毕后，晶闸管导通一段时间，形成C-Q-R环形通路对电容放电，为下一次关断缓冲做准备。 关断时刻的尖峰电压主要由断路器中的杂散电感产生，缓冲电容吸收电感释放的能量以减小尖峰电压，从而实现动态过程中的均压平衡。缓冲电容吸收的能量应和电感中释放的能量平衡。 1 2 C ∗ Δ U 2 = 1 2 L s ∗ I 2 (8) 由式(8)可得： C = L s ∗ I 2 Δ U 2 (9) 式中，L s 是断路器中的杂散电感；I为流经电感的电流；C为RCD电路中的缓冲电容；ΔU为电容两端产生的过电压。 Q应在IGBT完全导通后开通，在下次关断前关断，Q的导通时间根据实际情况而定，在此期间电容通过C-Q-R电路将能量释放完毕。 τ = R 2 C ≤ τ 0 (10) 所以R 2 取值范围为： R 2 ≤ τ 0 C (11) 式中，τ是C-Q-R电路的放电时间常数；τ 0 是Q的导通时间；R 2 是C-Q-R电路中的电阻。 吸收C释放的能量，所以R 2 的功率应满足： P ≥ 1 2 C ∗ Δ U 2 ∗ 1 τ = Δ U 2 2 R 2 (12) 3.2.2. 静态均压电阻选取 因为生产工艺和工作温度的差异，IGBT实际运行时的自身参数会不一致，直接影响到串联IGBT的分压不均，此时可以将关断的IGBT等效成阻值不同的漏电阻。为了实现均压平衡，在漏电阻两端并联一个静态均压电阻R t ，使每个漏电阻与R t 并联后的等效电阻基本相等，示意图如图3(c)、图3(d)所示，后者是前者的等效电路。 依照经验，增加R t 后均压不平衡率在5%以内可保证各元件均压平衡，求出R t 的取值范围。定义均压不平衡率为串联IGBT中承受最高电压与最低电压之差和最高电压的比值。 γ = V max − V min V max (13) 式中，γ是均压不平衡率；V max 、V min 分别是串联IGBT中两端电压最大、最小值。 假设n个串联IGBT中，IGBT1承受的电压最大，IGBT2承受的电压最小，则并联静态均压电阻后均压不平率为： γ = V max − V min V max = ( R off1 / / R t ) − ( R off2 / / R t ) ( R off1 / / R t ) = R off1 R off2 − 1 R off1 R t + R off1 R off2 (14) 根据γ ≤ 5%可得静态均压电阻取值范围： R t ≤ R off1 19 ∗ R off1 R off2 − 20 (15) 式(14)、(15)中，R t 是静态均压电阻；R off1 是IGBT1的等效漏电阻；R off2 是IGBT2的等效漏电阻。 通过产品参数可求出漏电阻： R o f f = V c e s I c e s (16) 式中，V ces 是集电极–发射极阻断电压；I ces 是集电极–发射极漏电流。 由式(8)~(16)求得均压电路主要参数，RCD均压电路的参数μ = 53 pF，R 2 ≤ 180 Ω，P ≥ 4 kW，静态均压电阻R t = 7 kΩ。 RCD均压电路可以有效地抑制动态过程中尖峰电压的产生，但是电容充电完毕后电路处于开断状态，不再发挥均压作用。静态均压电阻可以在后续的静态过程实现IGBT的均压平衡。所以将二者结合使用改善串联IGBT动、静态均压问题。 3.2.3. MOV的选取 MOV支路并联在IGBT两端，当电压将要超过IGBT最大承受电压时，MOV将电压钳制在安全电压以内，从而保护IGBT不被击穿。所以MOV的压敏电压U NMOV 应与IGBT最大承受电压相等。 U NMOV = V CE (17) 因为V CE = 1200 V，所以选取压敏电压为1200 V的MOV并联在IGBT两端。