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 于其固有的過載能力較差，當(dāng)出現(xiàn)過流、過壓故障，特別是 短路故障時，如果保護(hù)不及時，往往會造成其永久性損壞。 為此，本文分析了導(dǎo)致IGBT損壞的常見誘因——過電壓的形 成過程，然后提出了主電路結(jié)構(gòu)優(yōu)化和緩沖電路的設(shè)計方案, 并通過實(shí)際裝置的運(yùn)行，驗(yàn)證了這些方案的有效性。

1 IGBT過電壓的形成過程

在并聯(lián)有源電力濾波器運(yùn)行時，IGBT模塊無論是在產(chǎn)生 補(bǔ)償電流時，還是在電網(wǎng)向直流側(cè)電容充電時，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)反向阻斷能力時都會產(chǎn)生過電壓，從而對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)計了吸 收緩沖電路。

圖1所示是單個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計算，其電流變化擊=150 A，則：

這樣，在沒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模塊的耐壓等級為1 200 V，750 V的過 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)生巨大的過電壓，致使IGBT模塊被擊穿損壞。

圖1單個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,通過試

驗(yàn)運(yùn)行，所獲得的直流母線電壓波形和IGBT關(guān)斷時發(fā)射極與 集電極間電壓波動波形如圖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，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IGBT的安全運(yùn)行構(gòu)成威脅。解決模塊過電壓的關(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

為了減小過電壓，有源電力濾波器主電路設(shè)計應(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)選擇無感電容，安裝應(yīng)盡量靠近IGBT模塊。 實(shí)際上，無論是有感還是無感電容，從電極到引出端，只要存 在空間距離，就會存在電感，只不過無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，無感電容器的長度 越長，其寄生電感越大，因此，應(yīng)采用尺寸短的電容器，同時 在APF緩沖電路中，也應(yīng)遵循“無感”和“短尺寸”原則。

除了采用無感電容，還要設(shè)法縮短直流側(cè)導(dǎo)線長度，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)線流過大小相等、方向相反的電流 時，導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場將相互抵消，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

IGBT過電壓保護(hù)的目的是為了降低IGBT集-射極間的 電壓Uce，它可以通過降低IGBT開關(guān)速度來實(shí)現(xiàn)。通過增大 驅(qū)動電路柵極電阻Rg的方法，可以降低開關(guān)速度，但是在增 大Rg的同時會增加開關(guān)損耗，因此這種方法不可取。目前, 防止過電壓的有效方法是設(shè)計參數(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常見緩沖電路的特點(diǎn)

緩沖電路在設(shè)計安裝中應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

在進(jìn)行裝配時，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，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在下一次動作前將存儲在

緩沖電容G中的電荷放完的要求；

(5)緩沖二極管Ds應(yīng)選用快開通和快恢復(fù)二極管，避免

產(chǎn)生開通過電壓和反向恢復(fù)所引起的較大振蕩過電壓。

圖4常見的緩沖電路原理圖

式中，乙為主電路的寄生電感，這個參數(shù)要用專用的設(shè)備才能 測出，本設(shè)計以1卩H/m的估算結(jié)果作為計算值；為IGBT 關(guān)斷時的集電極電流，計算時取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。

通過計算可得，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，/為開關(guān)頻率，取16.2 kHz作為計算值，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，為了更好地吸收過電壓，實(shí)際應(yīng)用時，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，電容兩端電壓較為平穩(wěn)，無大幅度的尖峰電壓;

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)多次振蕩且幅值過大的過沖 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，尖峰過壓問題得到了解決。

圖6 IGBT射-集電極間電壓波動波形

4結(jié)語

SAPF可以有效治理電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無功功率，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)計方案，可以有效抑制寄生電 感對系統(tǒng)的負(fù)面影響，并通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計的可行性, 避免了由于過電壓而導(dǎo)致IGBT的損壞問題，保證了并聯(lián)有源 電力濾波器的安全運(yùn)行。

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