ZW8户外真空断路器

户外真空断路器型号的真空度是保证真空开关绝缘性能和灭弧性能的重要技术指标，真空开关的真空度测试已经成为真空开关周期性检查和预防性试验的重要内容之一，本文介绍了几种真空度的现场检测方法，通过对真空断路器的灭弧室真空度降低原因的分析，说明了真空度测试仪的试验原理，并提出了利用真空度测试仪对真空开关进行真空度测试的一些问题和注意事项。

由于真空开关具有开断容量大、灭弧性能好、机械电寿命长、维护工作量小、检修周期长等优点，在保定供电公司10 k V、35 kV电网中得到广泛应用。截至2001年底，保定供电公司10 kV开关已经全部更换为真空开关。从1999年～2001年，在真空开关发生的缺陷和事故中，真空度降低问题较突出，后果也较为严重，主要表现为真空泡慢性漏气导致真空度降低，有几次发现真空度降低引起开关断口间绝缘耐压不合格，险些造成开关爆炸。同前几年真空开关的缺陷主要集中在机构上比较，目前开关缺陷主要集中在灭弧室的真空度上。因此，切实加强真空开关的核心部件——真空灭弧室真空度的现场检测工作十分重要。现场检查真空度常用观察法、交流耐压法、电磁法3种。

a．观察法

主要是由运行人员对运行中的真空断路器进行简单判别，通过观察涂在真空玻璃泡内表面的吸气剂薄膜的颜色变化来判断真空度的变化。真空度良好时，吸气剂的薄膜非常亮像镜面；如果真空度降低，吸气剂薄膜变成乳白色。这种判断方法只有在真空度降到很低时才能被发现，并且对于陶瓷外壳的真空灭弧室无法使用。

b．交流耐压法

是采用工频耐压法检查真空灭弧室真空度。这种方法是以前的预防性试验中测试真空度时应用的主要方法。将真空开关置于分闸状态，在真空灭弧室的动静触头之间加交流电压，工频耐压测试规范为：在额定开距时，两端加额定工频耐受电压的70％，稳定1 min，然后在1 min内升至额定工频耐受电压，保持1 min无仪表指针突变及跳闸现象即为合格。允许管内有零星火星及其它轻微发光现象。这种方法不能对真空开关真空泡的真　　空度进行直接检测。以前只能根据这种试验方法来判断真空开关的真空度是否满足要求。这种方法只能对灭弧室的真空状况做出粗略判定，不能得出真空度的具体数据。对于真空度的变化没有任何反应，只有在工频耐压试验不合格时，才能发现真空度的降低，这时已经很危险了。

c．电磁法

是对真空断路器的灭弧室采用电磁法进行试验，试验方法为：在灭弧室分开的触头间施加磁场，然后再施加一个最长持续时间为100 ms的脉冲电压，可由流过电流的大小估算出真空灭弧室内的气体压力。从目前现场试验的情况看，采用这种方法获得的数据最为准确、有效，它可以推算出真空开关真空度的准确数值，试验可靠性较高。

除以上3种主要方法外还有火花计法，它只适用于玻璃管真空灭弧室，通过火花计检漏仪在灭弧室表面移动真空管内光的颜色来判断真空灭弧室是否合格，淡青色表明真空度良好，红蓝色表明灭弧室真空度极低，不发光表示已严重漏气。

DC/DC变换器是电动汽车、混动汽车等新能源汽车中不可或缺的辅助性电子设备，它取代了传统汽车原有的发动机通过皮带带动的发电机，给车辆电压12V网络供电。实现了车辆推进系统和辅助供电系统的分离。为提高整车系统效率提供了便利条件。它的输入是高压储能动力电池系统，输出是低压12伏电源网络，因此叫做高压一低压DC/DC变换器（HV-LV DC/DC Converter），见图1。该DC/DC变换器通常功率为1～3kW[1]。 零电压开关的移相全桥是这一应用的通用拓扑。这一拓扑结构见图2，其优点是通过移相调制利用系统寄生参数（变压器漏感Lleak和开关器件输出电容Coss），而且这一软开关拓扑工作在定频的开关频率下，非常有利于器件寄生参数选取。

典型的用于电动汽车与混合动力汽车的移相全桥转换器要求如下：高压输入来自于高压电池组，电压大约200V到400V：输出部分连接低压电池和弱电负载，电压14V左右。表1给出该D C/DC转换器的典型指标。基于lOOkHz的开关频率和输入电压范围指标，目前这个应用的多数开关器件都是超级结场效应管（Super-junctionMOSFET）。IGBT原本多用于lkHz到20kHz的开关频率应用。随着结构的改进，开关损耗降低，高速IGBT逐渐在更高的开关频率得以应用。本文根据这一前沿趋势，研究这种改进的高速IGBT在高压到低压DC/DC中的lOOkHz开关应用。

1 高频开关工作的IGBT技术 　超级结技术的MOSFET基于电荷补偿原理，早在1998年就进入市场，在600V耐压级别的应用范围里形成一场革命。其最重要的优点是它在寄生二极管的有源层中采用了垂直PN细条的三维结构，它能维持相同的阻断电压，但是由于减小了垂直PN条的宽度，导通电阻得以成比例的减小。采用这个方法，单位面积导通电阻可降低5-10倍。在超级结技术产生之前，在600V耐压级别应用领域不可避免地会使用具有优良导通损耗的IGBT。而限于IGBT特有的拖尾电流和由此导致的开关损耗，开关频率始终在20kHz以下。两种当时主流的IGBT（PT和NPT）都存在这种拖尾电流。 改变这一现象的标志性技术进步由沟槽栅场终止结构IGBT（英飞凌制造）和软穿通结构IGBT（ABB制造）实现。沟槽栅场终止结构IGBT诞生于2000年，改进了IGBT的关断拖尾电流波形。其后沟槽栅场终止结构IGBT基于不同的应用场合被进一步优化。优化的IGBT工作在20kHz到40kHz的开关频率应用于电焊机、太阳能逆变器和UPS方面。英飞凌于2010年发布了为高频硬开关优化的600V沟槽栅场终止结构IGBT，又在20 12年发布了一系列用于不同应用领域的沟槽栅场终止结构IGBT。这些新型IGBT的诞生，为本文的lOOkHz开关移相全桥拓扑提供了基础条件。 　　

2 DCDC转换器电路设计 　该DClDC转换器采用英飞凌的650V 50A高速IGBT和快速二极管模块Easy module lB，具体电路形式见图9，主要采用的电子元件见表2。 　　

2.1 主功率变压器设计 　主变压器匝比，计算见公式1，其中和MOSFET有区别的地方在于开关器件结压降变成了IGBT的集电极到发射极压降Vcesat。更高的匝比数可以降低原边流过IGBT的电流有效值，但是另一方面，由于变压器漏感引起的丢失占空比使得最低输入电压220V和额定输出电压13 .8V的有效占空比应控制在85%以内，因此最后选择匝数比为13：1：1。为了正确选择磁芯尺寸，保证变压器不会饱和，应计算最大磁场密度B，具体计算见公式（2）。其中Ae是磁芯截面积，n1是变压器原边匝数。入是副边的伏秒积。计算伏秒积的公式见（3）。 λ=Vin・D 　（3） 　　

2.2 同步整流电路设计 　同步整流技术可以显著提高副边的整流效率，降低整流产生的损耗。常见的同步整流电路拓扑有三种，全桥整流，全波整流和倍流整流。倍流整流在这种应用中需要耐压更高的开关器件，因此会产生更大的通态损耗，系统效率在86%左右，而全桥整流和全波整流都可以达到90%以上的效率。本设计选用了全波整流拓扑，如图3所示。相比于全桥整流电路，变压器副边需要多一个中心抽头，但是所用的半导体数量会减少一半。虽然半导体上的电压应力因为副边两个绕组的关系需要耐压更高，但是MOSFET数量的减少使两种拓扑的损耗基本一致。仿真计算结果也支持了这一分析，而且全波整流在更高负载的效率也比全桥整流略有优势。输出滤波电感的设计主要是满足电流连续，因此计算公式见4。由公式可知，提高开关频率有利于减小电感感值，也有利于较小电感尺寸。

2.3 电流检测变压器设计 　常见的电流传感方案有采样电阻、霍尔传感器，电流检测变压器等等，电流检测变压器具有低成本和电气隔离的特点，本设计采用了电流检测变压器来检测电流信号。在拓扑中电流检测传感器有两种检测位置，如 放置在直流母线侧的电流检测传感器可以检测上下臂直通短路，但是由于其负载是单向的，要避免短路时发生的磁饱和会比较困难，特别是要注意饱和点要超过主变压器原边的饱和点，否则无法检测短路电流。如果电流检测传感器的设计在主变压器的原边，由于其工作在双向模式，因此磁通密度提高了一倍。而无法检测上下臂直通的缺点通过驱动芯片来弥补，设计采用的驱动芯片具有互锁功能，有效防止上下臂直通短路。 　　

3 测试验证结果 　在lOOkHz开关频率下，进行了一系列的测试，以评估高速IGBT在此应用中的适应性和潜在优势。本设计出于成本和空间的考虑，没有采用外置的谐振电感，而是运用变压器自身漏感来进行谐振。从基本性能来讲同样电压电流的IGBT芯片面积只有MOSFET的六分之一，在小电流和低温条件下MOSFET具有优势。但是随着工作结温的提高的电流增大，IGBT的电流能力迅速提高，导通损耗比MOSFET明显降低，如图5所示。 　　

3.1 关断损耗分析 　如图6所示高速IGBT在此拓扑中的关断拖尾电流几乎可以忽略，和传统IGBT相比，其关断损耗显著减小。在结温较高时，拖尾电流开始显现，关断损耗也开始增加。 　　

3.2 开通损耗分析 　如图7所示，尽管大多数负载点可以实现软关断，但是在轻载时由于原边电流较小，储存在变压器漏感的能量较小，不足以使滞后臂实现软关断。从整体效果来看，主工作区间良好实现了软关断，IGBT的极低的输出电容特性使得整个系统在没有外置谐振电感的情况下实现了主工作区间的软关断，系统损耗由此明显降低，这也是由前文提到的IGBT芯片面积远小于MOSFET所决定。 　　

3.3 效率测试与分析 　经过前文对开通和关断状态的分析，进一步测试了整个系统的效率，效率的测试方法采用测量输入电压、输入电流、输出电压、输出电流并计算输入功率和输出功率的方法得到。输入电压采用电压表测量、输入电流采用高精度分流计测量，输出电压电流功率数据从电子负载中得到。最终测试结果显示，在很宽的电压输入范围里，系统都能超过90%的效率。图8展示了输入电压220V到400V，输出电流20A到110A的系统效率曲线，其中系统效率较高的区域是电压输入较低的区域。最核心的负载段，即30%到70%的负载段是系统工作最典型的使用工况，也是本设计最重要的设计目标段，该段效率也达到了90%以上。

4 结论 　当代高速IGBT（如英飞凌HS3系列），对比传统的沟槽栅场终止IGBT，在不增加集电极到发射极饱和压降的情况下，拖尾电流和关断损耗得到显著改善，显著地改善了沟槽栅。通过电路设计和实际测试，在这种软开关式移相全桥DC/DC转换器的应用中实现了替代超级结MOSFET的可能性，同时在功率较高的工况超越了超级结MOSFET的性能，同时芯片面积比MOSFET大幅缩小，因此芯片成本也会降低。本设计采用13：1的匝比，配合移相全桥和全波同步整流的拓扑结构，以及无谐振电感特性，实现了220V到400V功率范围，93%的最优效率，以及非常平缓的效率下降平台，为高压一低压DC/DC变换器的设计提供了一种新的功率器件设计选择方向。