固态开关的作用是待电流完全转移到其中后接收控制命令关断,最终实现无弧分断。因此,固态开关必须选择全控型大功率半导体器件,样机采用的是压接式IGBT。
压接式IGBT 区别于传统模块式IGBT,它的主要安装方式采用压接方式,一般集电极和发射极分别位于IGBT的两端,栅极通过引线引出。压接式IGBT的自身特点决定了其更适合并联和串联,均压控制相对容易。
1.串联设计
固态开关串联的IGBT数量主要由混合型直流断路器分断电流时产生的最大过电压决定。串联IGBT器件本身的寄生参数以及栅极驱动信号的延时会导致串联IGBT在关断过程中,先关断的器件会承受很大的过电压,在开通过程中,后开通的器件会承受很大的过电压。样机中采用了RCD缓冲回路作为串联IGBT的均压策略。
在每个IGBT上并联一个RCD缓冲回路,可以抑制器件端电压的变化率,从而抑制开关瞬间的过电压,防止器件因过电压损坏。同时,缓冲电路可以抑制静态电压失衡。该电路结构简单,易于实现。在进行装配时,尽量降低IGBT主回路和缓冲回路的杂散电感,接线越短越粗越好。
2.并联设计
固态开关并联数是由混合型直流断路器最大分断电流能力和IGBT器件决定的,样机最大分断电流能力为10kA,该电流值已经进入了单个IGBT的退饱和区,器件将无法保证安全关断。因此考虑采用两并联结构,再考虑到均流特性,单串IGBT流过的最大电流为6kA,可安全关断。采用两并联结构虽然解决了IGBT关断问题,但同时也带来了均流问题。样机从电气结构及栅极驱动两方面入手,设计时尽量做到并联对称性,从而降低电流的分布不均 。