0 引言
多端柔性直流输电以及直流电网以其独特的优势，适用于不同类型能源间远距离互联及大规模可再生能源安全并网、灵活汇集与送出，近些年来，得到了迅猛发展[1-3]。然而在系统故障时，高压直流电网的低阻抗特性使得故障电流迅速上升，研发具有可靠、快速切断直流故障电流的高压直流断路器（Hybrid DC Circuit Breaker, HCB）[4-6]已成为发展直流电网迫在眉睫的任务，尤其是混合型直流断路器。2012年，ABB研发了可在5ms内分断8.5kA短路电流的混合型直流断路器[7-9]。2015年，全球能源互联网研究院研制成功了可在3ms内分断15kA短路电流的混合型直流断路器并进行工程应用[10]。
绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）器件作为混合型直流断路器的核心部件，其性能直接决定了断路器的各方面特性、可靠性和成本。目前，此类大功率半导体器件应用最广泛、最成熟的是压接型IGBT（Press Pack IGBT, PPI）器件，因为其具有电流密度大、可靠性高、失效短路和易于串联等优势。压接型IGBT器件生产厂家有ABB、TOSHIBA和WESTCODE等[11-14]，但只有ABB公司的压接型IGBT器件成熟应用于现有的断路器中[9]。
在研制高短路关断IGBT器件或将IGBT器件应用在混合型直流断路器前，需要对其进行全面且针对性的测试，不仅要保证IGBT器件在工作时安全可靠，又要充分挖掘其能力。因此，需要通过搭建测试平台来测试各种断路器拓扑下不同IGBT器件的各种极限能力，如极限关断能力、重合闸关断能力等。进一步可以给出与断路器工况有关的IGBT器件指标，方便直流断路器制造厂商选择IGBT器件。但是，生产厂家在IGBT器件出厂前只会进行各种动静态参数的常规测试，并没有针对具体应用工况的测试，尤其是像直流断路器这种极端应用工况的测试[9,15]。且由于混合型直流断路器的实际工程应用案例仍相对较少，而且相关技术仍在发展中，直流断路器制造厂商如何对IGBT器件进行具体应用工况下全面测试的相关技术并未公开。因此，一些研究机构开展了直流断路器应用工况下的IGBT器件测试研究。文献[12]通过改进双脉冲测试电路来近似模拟直流断路器工况，但其测试波形与实际断路器工况相差甚远。文献[16]搭建了实验平台对IGBT、IEGT、IGCT三种不同的器件进行了关断能力和高电压变化率下鲁棒性测试，用于对器件的认知和对比。文献[17-18]都以舟山工程200kV级联全桥混合式高压直流断路器为背景搭建了测试电路进行了单个IGBT模块关断测试，用于对比整机中的IGBT模块与单个IGBT模块的电气应力差别。
上述研究为断路器用IGBT器件测试奠定了一定基础，但对于断路器用IGBT器件及其内部芯片的通用性应力测试，还应尽可能缩小测试工况与真实应用工况的差异，尤其是关断瞬态的差异，并使测试电气应力更易于计算和调整。2016年，国家科技部专项明确提出研制适用于直流断路器应用的高短路关断能力的压接型IGBT器件，也包含着对断路器工况下功率半导体器件测试的迫切需求[19]。
本文致力于从混合型直流断路器的角度出发，提出一种直流断路器工况下IGBT器件的通用测试电路。首先，分析总结了不同类型混合型直流断路器IGBT器件电气应力的共性。在此基础上，基于现有测试电路和直流断路器的基本拓扑提出了一种新型的测试电路，调整了续流二极管的位置并且为测试回路增加了两个可调电感，使得整个测试电路在功能上具有较大的灵活性，能够满足直流断路器多种工况下的不同测试和分析需求。然后建立考虑寄生参数的测试平台电路模型，理论分析了被测器件（Device Under Test, DUT）的电气应力。最后，基于实验平台的测试结果验证了测试电路的有效性，并分析了平台参数对被测IGBT器件电气应力的影响和调整效果。
1 不同类型混合型直流断路器工况下IGBT器件的应力分析
1.1 混合型直流断路器类型
混合型直流断路器通常由三条基本支路构成：辅助转换开关、快速机械开关组成的主支路；包含IGBT器件子模块串联而成的转移支路；一般由缓冲电容支路和金属氧化物可变电阻器（Metal Oxide Varistor, MOV）能量吸收支路并联组成的缓冲吸收支路。为实现断路器的双向电流可关断，图1展示了两种不同类型的混合型直流断路器拓扑结构，分别利用转移支路和主支路来完成双向通断控制。其中，左边拓扑的转移支路采用IGBT器件反串联，右边拓扑的主支路采用辅助转换开关和机械开关的镜像布置。
图1 不同类型的混合型直流断路器拓扑
Fig.1 Different types of hybrid DC circuit breaker topologies
对于转移支路上的IGBT器件，关断时要承受几倍于额定电流的故障电流，因此通常需要并联缓冲支路来进行软关断。子模块的不同拓扑如图2所示，分断子模块无论是双向还是单向，都是利用缓冲支路电容暂时吸收来自IGBT器件的转移电流，从 而在关断时暂时使IGBT器件的集射极电压维持在比较低的水平。
图2 子模块的不同拓扑
Fig.2 Different topologies of submodules
1.2 不同类型拓扑应力共性分析
断路器的分断全过程电流应力工况如图3a所示，I1为主支路电流，I2为转移支路电流，I3为能量吸收支路电流。影响转移支路IGBT器件的具体工况及电气应力的因素有很多，可分为断路器外部系统、断路器部件、IGBT器件三个层级。
图3 分断过程电气应力示意图
Fig.3 Schematic diagram of electrical stress during breaking process
在总结大量断路器拓扑及工况的基础上[7-10]，本文提出了用图3中Uce和I2来描述IGBT器件在断路器工况下的电压电流应力。其中，图3a和图3b为断路器关断全过程示意图，图3c为IGBT器件关断过程的局部细节图。此示意图中未体现t3～t5时间段内的拖尾电流。针对图3所示的电气应力，本文提出了11个IGBT器件分断关键指标，来表征混合型直流断路器工况下IGBT器件的应力特征，分别为系统电压U0、故障电流上升率di/dt、转移支路导通时间T1、IGBT器件关断时间toff、MOV钳位电压Ucl、IGBT器件通态电压Uon、IGBT器件最大集射极过电压Umax、IGBT器件故障电流极值Imax、IGBT器件集射极电压局部极值Um、IGBT器件集射极电压上升时间tr、IGBT器件关断能量Eoff，其计算公式为
在确定这11个参数的情况下，断路器的电压电流波形特征就已确定，其IGBT器件所受应力可基本确定。其中，对被测IGBT器件最为关键的应力指标为最大集射极过电压Umax、故障电流极值Imax、关断能量Emax。
2 测试电路与应力分析
2.1 测试电路结构
考虑前述混合型直流断路器结构和工况的分析，本团队提出了断路器用IGBT器件测试平台拓扑结构，如图4所示。母线电压由可充放电的高压大电容CDC来提供，电容左端为充放电电路。测试回路含有限流电感L、主支路IGBT器件、被测IGBT器件、缓冲电容支路及MOV能量吸收支路。各支路可以根据实际的断路器拓扑和测试需求进行调整。此外特意考虑二极管的放置，使得二极管的反向恢复过程不影响换流过程，从而降低对被测器件电气应力的影响，减小平台建模的复杂度，也简化电气应力的计算。在缓冲电容支路和MOV能量吸收支路分别添加了两个电感la、lb，用来调节被测IGBT器件关断过程的能量累积和最大过电压[20]。
图4 测试电路结构
Fig.4 Test circuit structure
为准确分析被测IGBT器件的电气应力，需考虑平台关键部件和寄生参数以及特殊部件的模型。考虑将MOV的IEEE模型[21]简化处理，在非线性电阻的模型基础上添加寄生电感[22-25]，以方便理论分析。回路寄生参数主要分布在接线端子、连接螺栓、线路以及元件处。为简化分析，将回路上各处寄生参数用集总参数表示，主要包括高压大电容支路寄生电感、电阻，测试支路寄生电感、电阻，缓冲电容支路的寄生电感、电阻，MOV能量吸收支路的寄生电感、电阻。平台寄生电阻和高压大电容支路寄生电感对被测IGBT器件电气应力影响不大，可忽略不计，且各个寄生电感可合并等效。
经过简化后可以得到如图5所示的等效电路，其中，
为等效的三个寄生电感，A表示非线性电阻。等效电路相对比较简洁，各参数获取相对较为容易，除IGBT器件外不含有特殊元件，易于进行电气应力计算。
图5 测试平台的等效电路
Fig.5 Equivalent circuit of test platform
2.2 IGBT器件电气应力理论分析
在整个测试中最关键的换流过程有为被测IGBT支路向缓冲支路换流和缓冲支路向MOV能量吸收支路换流，分别对应两个换流回路。测试可按时间分为五个过程，如图3所示。针对五个过程进行电路分析，如图6～图9所示。
图6 第一阶段分析电路
Fig.6 First stage analysis circuit
图7 第二、三阶段分析电路
Fig.7 Second and third stage analysis circuit
图8 第四阶段分析电路
Fig.8 Fourth stage analysis circuit
图9 第五阶段分析电路
Fig.9 Fifth stage analysis circuit
第一阶段时间区间为t1～t2，i2为被测IGBT支路电流，从被测IGBT器件受触发导通，主支路IGBT器件关断，到被测IGBT器件关断。母线电容经由限流电感、被测IGBT器件放电。同时，缓冲电容 也会通过电阻对被测IGBT器件放电，但此电流相对较小，且很快衰减，可以忽略。对于第一阶段，需要关心的是故障电流上升率di/dt、转移支路导通时间T1、IGBT器件故障电流极值Imax，在忽略IGBT器件通态压降和换流损耗的情况下，将
代入初值，得到被测IGBT器件集电极电流
可以看到，此阶段是LC振荡，ic为正弦波形。由于此阶段持续时间远小于LC振荡周期，所以IGBT器件故障电流极值Imax与系统电压U0成正比，近似与t2成正比。
第二阶段即为第一个换流过程，时间区间为t2～t3，is为缓冲回路电流，从被测IGBT器件关断，电流逐渐转移到缓冲电容支路，到被测IGBT器件进入拖尾阶段。由于整个换流过程历时较短（μs级），限流电感上的电流可认为近似不变，为Imax。支路电流满足关系
二极管在导通后正向压降很小且基本不变，可认为是一个电压源Uf。在Imax固定不变的情况下，IGBT器件的关断电流波形与外部电路耦合性很弱，主要取决于IGBT器件自身特性和驱动控制，所以使用被测IGBT器件支路电流i2来表示IGBT器件集射极电压，即
由于这一过程时间在μs级，使得缓冲电容充电量很小，且缓冲电容的电压在上个阶段已经降为零，所以缓冲电容电压较低，uce与三个电感ls、la和lc上的电压和近似相等，展开式（6）得
此阶段uce的最大值即为IGBT集射极电压局部极值Um，与第一个换流回路的总电感和最大电流变化率近似成正比。
第三阶段时间区间为t3～t4，从被测IGBT器件进入拖尾阶段，缓冲电容支路电压还未到达MOV阈值电压Uth，到缓冲电容支路电压到达MOV阈值电压。由于拖尾电流很小，所以限流电感的电流可以近似全部转移到缓冲电容支路上，因此，缓冲电容支路的电流is对应Imax。is向缓冲电容充电，导致缓冲电容支路电压逐渐上升，被测IGBT器件集射极电压与电容电压近似相等，即
展开式（9）得
式中，3CU 为t3时刻缓冲电容电压。此阶段uce直线上升。
第四阶段即为第二个换流过程，时间区间为t4～t5，iA为MOV能量吸收支路电流，从缓冲电容电压上升至MOV阈值电压，到限流电感的电流完全从缓冲电容支路转移到MOV能量吸收支路。支路电流满足关系
对于该过程，需要关心的是IGBT器件集射极过电压为
展开式（13）得
式中，UC4为t4时刻缓冲电容电压。若将动作后的非线性电阻简化为电压源串联固定电阻的模型，即
式中，Uth为非线性电阻阈值电压；rA为固定电阻，则可以得到微分方程
通常，固定电阻rA很小，使得方程为欠阻尼，解得被测IGBT器件集射极电压
其中
因此，uce波形为衰减振荡。将式（18）代入式（17），可以求出最大集射极过电压为
其中
第五阶段为第二个换流过程结束之后，时间区间为t5～t6，iL为限流电感支路电流，缓冲支路电流完全转移到MOV能量吸收支路后，限流电感和缓冲电容共同对MOV放电，进入能量耗散阶段。支路电流满足关系
该过程时间相对较长，寄生电感的影响不大。被测IGBT的集射极电压与MOV的端电压近似相等，即
被测IGBT器件承受MOV钳位电压直到限流电感能量完全耗散。
3 实验结果
基于本团队提出的如图4所示电路结构，搭建断路器用IGBT器件测试研究平台，如图10所示。平台的最大母线电压为4.5kV，母线高压大电容CDC为5mF，用于支持母线电压；限流电感L为1mH，用于限制电流变化率和产生过电压；压力装置主缸压力为50kN，用于给被测PPI施加适当的压力，可以满足目前绝大部分功率等级压接型器件的测试需求[26]，如IGBT、IGCT和IEGT等。此外还包括用来给母线高压大电容充电的直流稳压电源UDC，限制充放电速率的充放电电阻RC，控制充放电的真空接触器，缓冲电阻Rs，缓冲电容Cs，保护单元，被测PPI和电压电流测量设备。此平台对目前主要的商业应用及正在研发的焊接型和压接型IGBT产品，可以进行器件级和芯片级的测试研究[27]。
图10 搭建的测试平台
Fig.10 The test platform built in this paper
3.1 实验波形
为了验证本文所提新型电路拓扑结构功能的有效性，基于搭建的实验测试平台进行直流断路器工况的实验测试，以某款3 300V/50A压接型IGBT单芯片子模组为例，进行了大电流下关断实验，图11b为图11a的关断过程放大图。
图11 直流断路器工况测试波形
Fig.11 Test waveforms of DC circuit breaker operating condition
由图11可见，芯片的测试电气应力与断路器工况下的电气应力如图3c所示，具有相同的特征，包括全过程和微秒级断开瞬态过程。而对于第一部分提到的11个关键应力指标，除了系统电压U0因为母线电容容值不够而下降严重外，图11也一一对应，后续实验可通过增加母线电容容值来解决这个问题。因此，针对不同的断路器拓扑、控制逻辑和工况，可予以调整来模拟其电气应力。
3.2 测试平台部件参数的影响
由2.2节电气应力的理论分析可知，平台部件的参数影响着被测PPI的测试电气应力。在第一个阶段，被测PPI导通过程中，规律相对比较明显；对于微秒级断开，参数的影响较为复杂，下面进行相关实验研究。
分别改变电感la、电感lb、缓冲电容Cs和MOV。被测PPI芯片的电气应力实验结果如图12所示和见表1。其中，表1中带“*”的各项为基准参数，图12d图例中“2×”表示2个避雷器串联。可以看出，电感la对IGBT芯片集射极电压局部极值Um影响较大，由于此时关断电流仍然较大，因此耗散功率变化明显，对关断能量Emax的影响很大。电感lb则主要影响被测IGBT芯片的最大集射极过电压Umax，因为此时IGBT芯片已经完全关断，所以对关断能量几乎没有影响。缓冲电容对芯片的集射极电压上升时间tr和最大集射极过电压Umax影响显著，对芯 片的电流几乎没有影响。缓冲电容的增大可以减小关断能量，但是增大到一定值后，继续增大缓冲电容对减小关断能量的效果不明显。MOV的钳位电压主要决定了芯片的最大集射极过电压Umax，对芯片的关断能量积累影响不大。
图12 平台部件参数对被测PPI芯片测试
电气应力的影响
Fig.12 Influence of platform component parameters on electrical stress of tested PPI chip
表1 不同平台参数对被测PPI芯片关断能量的影响
Tab.1 Influence of different platform parameters on the turn-off energy of the tested PPI chip
关断能量Eoff/mJ 45 46 54 58 0* 45 130 45 240 45 电感lb/nH 390 46 0.11 47 0.22* 44 0.44 42 缓冲电容Cs/μF 1.2 42
4 结论
本文结合了对混合型直流断路器用IGBT特性研究的需求，基于现有测试电路和直流断路器的基本拓扑，提出了新型通用混合型直流断路器用IGBT器件测试电路拓扑并搭建了相应测试平台，建立了考虑寄生参数的测试平台电路模型，通过理论研究和实验分析了各项参数对被测IGBT器件应力的影响，初步得到如下结论：
1）IGBT芯片在测试平台下的测试电气应力与断路器工况下的电气应力具有相同的特征，且与11个关键应力指标一一对应，验证了上述拓扑能够给被测IGBT芯片提供非常接近断路器工况的测试电气应力。
2）电感la的增大会显著增加被测IGBT芯片关断能量，电感lb的增大则会增加被测IGBT芯片的最大集射极过电压。缓冲电容的增大可以减小被测IGBT芯片的最大集射极过电压和关断能量，而MOV的钳位电压主要影响被测IGBT芯片的最大集射极过电压。
3）可以通过调节MOV的钳位电压对被测IGBT芯片的最大集射极过电压进行粗调，并通过缓冲电容值和电感lb进行微调，实现最大集射极过电压精确宽范围可调。以本平台为例，其最大集射极过电压最高可达4.5kV。
4）可以通过调节电感la和缓冲电容Cs对关断能量进行调整，但缓冲电容对关断能量的减小有上限。以本平台为例，最小关断能量为42mJ。
本文所提出的测试平台不仅适用于IGBT器件的测试，还可以用于IEGT和IGCT等大功率半导体器件的测试。
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