并聯(lián)有源電力濾波器保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)研究

引言

由于IGBT功率模塊具有開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn), 因而成為SAPF主電路PWM變流器結(jié)構(gòu)的主選。但是，鑒 于其固有的過(guò)載能力較差，當(dāng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓故障，特別是 短路故障時(shí)，如果保護(hù)不及時(shí)，往往會(huì)造成其永久性損壞。 為此，本文分析了導(dǎo)致IGBT損壞的常見(jiàn)誘因——過(guò)電壓的形 成過(guò)程，然后提出了主電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和緩沖電路的設(shè)計(jì)方案, 并通過(guò)實(shí)際裝置的運(yùn)行，驗(yàn)證了這些方案的有效性。

1 IGBT過(guò)電壓的形成過(guò)程

在并聯(lián)有源電力濾波器運(yùn)行時(shí)，IGBT模塊無(wú)論是在產(chǎn)生 補(bǔ)償電流時(shí)，還是在電網(wǎng)向直流側(cè)電容充電時(shí)，都起著相當(dāng)重 要的作用，但是，由于其自身固有特性，在關(guān)斷瞬間或是續(xù)流 二極管恢復(fù)反向阻斷能力時(shí)都會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，從而對(duì)IGBT的 安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。為此，本文按照搭建的100 kV-A樣 機(jī)容量的要求，選用日本富士電機(jī)生產(chǎn)的R系列IGBT-IPM模塊7MBP150RA120作為變流器構(gòu)成主電路，并為其設(shè)計(jì)了吸 收緩沖電路。

圖1所示是單個(gè)IGBT及外圍電路圖，其中和LS2為 連接IGBT模塊導(dǎo)線的寄生電感。從模塊手冊(cè)可知，IGBT 從導(dǎo)通到關(guān)斷，其電流從90%下降到10%所需要的時(shí)間 *=0.18~0.3 ms。若 tf取 0.2 ms，并取 100 kV-A 容量的 APF 電流為150 A計(jì)算，其電流變化擊=150 A，則：

這樣，在沒(méi)有吸收緩沖電路的情況下，1 nH的電感所產(chǎn) 生的電壓為：

7MBP150RA120模塊的耐壓等級(jí)為1 200 V，750 V的過(guò) 電壓疊加在原有電壓基礎(chǔ)上，足以使模塊瞬間燒毀，且寄生 電感一般不止1 pH,普通電阻的寄生電感可能在10 nH以上, 定制的無(wú)感電阻的寄生電感也有2~3 nHo因此，微小的電感就可以產(chǎn)生巨大的過(guò)電壓，致使IGBT模塊被擊穿損壞。

圖1單個(gè)IGBT及外圍電路圖

為了更直觀地觀察寄生電感產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，筆者將系 統(tǒng)線電壓調(diào)至100 V,直流側(cè)電容電壓控制在180 V,通過(guò)試

驗(yàn)運(yùn)行，所獲得的直流母線電壓波形和IGBT關(guān)斷時(shí)發(fā)射極與 集電極間電壓波動(dòng)波形如圖2所示。

圖 2 試驗(yàn)運(yùn)行的電壓波形圖

圖2中，每格電壓為50 V,由圖可見(jiàn)，尖峰電壓最大幅

值可達(dá)100 V ；在IGBT關(guān)斷瞬間，Uce的幅值接近90 V，這 都對(duì)IGBT的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。解決模塊過(guò)電壓的關(guān)鍵方 法是設(shè)法減小模塊電路直流側(cè)的寄生電感，優(yōu)化主電路結(jié)構(gòu), 設(shè)計(jì)合理的吸收緩沖電路。

2有源電力濾波器主電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

為了減小過(guò)電壓，有源電力濾波器主電路設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足 絕緣、散熱的條件下，盡量減小直流側(cè)連接導(dǎo)線的分布電感, 減小直流側(cè)電容的寄生電感，提高器件工作的安全性。

直流側(cè)電容應(yīng)選擇無(wú)感電容，安裝應(yīng)盡量靠近IGBT模塊。 實(shí)際上，無(wú)論是有感還是無(wú)感電容，從電極到引出端，只要存 在空間距離，就會(huì)存在電感，只不過(guò)無(wú)感電容的寄生電感比有 感電容的寄生電感小得多而已叫同樣，無(wú)感電容器的長(zhǎng)度 越長(zhǎng)，其寄生電感越大，因此，應(yīng)采用尺寸短的電容器，同時(shí) 在APF緩沖電路中，也應(yīng)遵循“無(wú)感”和“短尺寸”原則。

除了采用無(wú)感電容，還要設(shè)法縮短直流側(cè)導(dǎo)線長(zhǎng)度，減 小主電路的尺寸，減小回路的面積。直流母線可采用層疊母排, 以減小直流側(cè)回路的分布電感。在柜體結(jié)構(gòu)中，由于無(wú)法實(shí)現(xiàn) 從模塊電極到電容弓I線端的零距離，我們提出了一種可以減小 分布電感的空間結(jié)構(gòu)，這樣可以更合理地利用空間，同時(shí)使直 流側(cè)電容既可以用作直流電源提供能量，又可以吸收過(guò)電壓。 圖3所示是IGBT與直流側(cè)電容的連接結(jié)構(gòu)圖，該結(jié)構(gòu)選擇 2~4個(gè)大容量電容安裝在IGBT模塊的PN端附近，連接導(dǎo)線 采用寬扁銅排，連接距離不超過(guò)5 cm。根據(jù)電磁學(xué)原理可知, 當(dāng)兩根距離很近的平行導(dǎo)線流過(guò)大小相等、方向相反的電流 時(shí)，導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)將相互抵消，理論上電感為零，因此，采 用的這種結(jié)構(gòu)可有效降低直流側(cè)回路的分布電感。

圖 3 IGBT與直流側(cè)電容連接結(jié)構(gòu)

3有源濾波器緩沖電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IGBT過(guò)電壓保護(hù)的目的是為了降低IGBT集-射極間的 電壓Uce，它可以通過(guò)降低IGBT開(kāi)關(guān)速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)增大 驅(qū)動(dòng)電路柵極電阻Rg的方法，可以降低開(kāi)關(guān)速度，但是在增 大Rg的同時(shí)會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，因此這種方法不可取。目前, 防止過(guò)電壓的有效方法是設(shè)計(jì)參數(shù)合理的緩沖電路電 圖4 所示是通常采用的幾種緩沖保護(hù)電路的原理圖，它們的特點(diǎn)如 表1所列。

表1常見(jiàn)緩沖電路的特點(diǎn)

緩沖電路在設(shè)計(jì)安裝中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

在進(jìn)行裝配時(shí)，要盡量降低主電路和緩沖電路的分布 電感，而且接線越短越粗越好；

IGBT關(guān)斷時(shí)，必須控制在安全操作區(qū)域內(nèi)；

緩沖電容Cs應(yīng)采用低感高頻且性能良好的電容，引 線應(yīng)盡量短，可直接接在IGBT的端子上；

緩沖電阻Rs應(yīng)滿足IGBT在下一次動(dòng)作前將存儲(chǔ)在

緩沖電容G中的電荷放完的要求；

(5)緩沖二極管Ds應(yīng)選用快開(kāi)通和快恢復(fù)二極管，避免

產(chǎn)生開(kāi)通過(guò)電壓和反向恢復(fù)所引起的較大振蕩過(guò)電壓。

圖4常見(jiàn)的緩沖電路原理圖

式中，乙為主電路的寄生電感，這個(gè)參數(shù)要用專用的設(shè)備才能 測(cè)出，本設(shè)計(jì)以1卩H/m的估算結(jié)果作為計(jì)算值；為IGBT 關(guān)斷時(shí)的集電極電流，計(jì)算時(shí)取IGBT的額定電流的兩倍 2X150 A ；表示直流電源電壓，取P-N間短路保護(hù)時(shí)的額 定電壓800 V ； Vcep是緩沖電容器電壓的最終到達(dá)值，一般取 C-E間電壓的0.9倍，即0.9X1 200 V。

通過(guò)計(jì)算可得，C為1.15卩F。由于以上寄生電感的值為 估算值，所以實(shí)際電容值應(yīng)以此為基礎(chǔ)，在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上確 定最佳值。經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，本系統(tǒng)最終采用了 1卩F/1 200 VDC 的高頻薄膜電容作為緩沖電容。

緩沖電阻Rs一般可由下式求出：

0)

式中，/為開(kāi)關(guān)頻率，取16.2 kHz作為計(jì)算值，把緩沖電容值 1卩F代入，即可得出緩沖電阻Rs的最大值為26.84 Q。

緩沖電阻Rs發(fā)生的損耗P與電阻值無(wú)關(guān)，一般可以由下 式求出：

p= LIf= 1 nH X (150 A)2x 16.2 kHz = 18225W5)

因此，本裝置選擇25 Q/250 W的電阻作為緩沖電阻。

緩沖二極管Ds的選取應(yīng)避免關(guān)斷時(shí)嚴(yán)重的振蕩，本文選 擇富士電機(jī)生產(chǎn)的ERG28-12。

此外，為了更好地吸收過(guò)電壓，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí) 際情況(例如容量、損耗等)選擇混合緩沖電路，這樣有助于 取長(zhǎng)補(bǔ)短，發(fā)揮各緩沖電路的優(yōu)點(diǎn)。本文研制的APF樣機(jī)就 是采用C緩沖電路與放電阻止型RCD緩沖電路聯(lián)合的方法, 實(shí)際運(yùn)行效果良好。緩沖電路電容兩端的電壓波形如圖5所 示，由圖可見(jiàn)，電容兩端電壓較為平穩(wěn)，無(wú)大幅度的尖峰電壓;

圖5緩沖電路電容兩端電壓波形

IGBT發(fā)射極與集電極間電壓波動(dòng)波形如圖6所示，發(fā)射極與 集電極間電壓較為平緩，未出現(xiàn)多次振蕩且幅值過(guò)大的過(guò)沖 電壓，表明該緩沖電路很好地吸收了寄生電感所產(chǎn)生的尖峰電 壓，尖峰過(guò)壓?jiǎn)栴}得到了解決。

圖6 IGBT射-集電極間電壓波動(dòng)波形

4結(jié)語(yǔ)

SAPF可以有效治理電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率，本文所 述的主電路優(yōu)化方案以及C緩沖電路與放電阻止型RCD緩 沖電路組成混合緩沖電路的設(shè)計(jì)方案，可以有效抑制寄生電 感對(duì)系統(tǒng)的負(fù)面影響，并通過(guò)樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性, 避免了由于過(guò)電壓而導(dǎo)致IGBT的損壞問(wèn)題，保證了并聯(lián)有源 電力濾波器的安全運(yùn)行。

20210917_61444792214ae__并聯(lián)有源電力濾波器保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)研究