并联有源电力滤波器保护的关键技术研究

引言

由于IGBT功率模块具有开关频率高、可靠性高等优点, 因而成为SAPF主电路PWM变流器结构的主选。但是，鉴 于其固有的过载能力较差，当出现过流、过压故障，特别是 短路故障时，如果保护不及时，往往会造成其永久性损坏。 为此，本文分析了导致IGBT损坏的常见诱因——过电压的形 成过程，然后提出了主电路结构优化和缓冲电路的设计方案, 并通过实际装置的运行，验证了这些方案的有效性。

1 IGBT过电压的形成过程

在并联有源电力滤波器运行时，IGBT模块无论是在产生 补偿电流时，还是在电网向直流侧电容充电时，都起着相当重 要的作用，但是，由于其自身固有特性，在关断瞬间或是续流 二极管恢复反向阻断能力时都会产生过电压，从而对IGBT的 安全运行构成威胁。为此，本文按照搭建的100 kV-A样 机容量的要求，选用日本富士电机生产的R系列IGBT-IPM模块7MBP150RA120作为变流器构成主电路，并为其设计了吸 收缓冲电路。

图1所示是单个IGBT及外围电路图，其中和LS2为 连接IGBT模块导线的寄生电感。从模块手册可知，IGBT 从导通到关断，其电流从90%下降到10%所需要的时间 *=0.18~0.3 ms。若 tf取 0.2 ms，并取 100 kV-A 容量的 APF 电流为150 A计算，其电流变化击=150 A，则：

这样，在没有吸收缓冲电路的情况下，1 nH的电感所产 生的电压为：

7MBP150RA120模块的耐压等级为1 200 V，750 V的过 电压叠加在原有电压基础上，足以使模块瞬间烧毁，且寄生 电感一般不止1 pH,普通电阻的寄生电感可能在10 nH以上, 定制的无感电阻的寄生电感也有2~3 nHo因此，微小的电感就可以产生巨大的过电压，致使IGBT模块被击穿损坏。

图1单个IGBT及外围电路图

为了更直观地观察寄生电感产生的感应电压，笔者将系 统线电压调至100 V,直流侧电容电压控制在180 V,通过试

验运行，所获得的直流母线电压波形和IGBT关断时发射极与 集电极间电压波动波形如图2所示。

图 2 试验运行的电压波形图

图2中，每格电压为50 V,由图可见，尖峰电压最大幅

值可达100 V ；在IGBT关断瞬间，Uce的幅值接近90 V，这 都对IGBT的安全运行构成威胁。解决模块过电压的关键方 法是设法减小模块电路直流侧的寄生电感，优化主电路结构, 设计合理的吸收缓冲电路。

2有源电力濾波器主电路结构的优化设计

为了减小过电压，有源电力滤波器主电路设计应在满足 绝缘、散热的条件下，尽量减小直流侧连接导线的分布电感, 减小直流侧电容的寄生电感，提高器件工作的安全性。

直流侧电容应选择无感电容，安装应尽量靠近IGBT模块。 实际上，无论是有感还是无感电容，从电极到引出端，只要存 在空间距离，就会存在电感，只不过无感电容的寄生电感比有 感电容的寄生电感小得多而已叫同样，无感电容器的长度 越长，其寄生电感越大，因此，应采用尺寸短的电容器，同时 在APF缓冲电路中，也应遵循“无感”和“短尺寸”原则。

除了采用无感电容，还要设法缩短直流侧导线长度，减 小主电路的尺寸，减小回路的面积。直流母线可采用层叠母排, 以减小直流侧回路的分布电感。在柜体结构中，由于无法实现 从模块电极到电容弓I线端的零距离，我们提出了一种可以减小 分布电感的空间结构，这样可以更合理地利用空间，同时使直 流侧电容既可以用作直流电源提供能量，又可以吸收过电压。 图3所示是IGBT与直流侧电容的连接结构图，该结构选择 2~4个大容量电容安装在IGBT模块的PN端附近，连接导线 采用宽扁铜排，连接距离不超过5 cm。根据电磁学原理可知, 当两根距离很近的平行导线流过大小相等、方向相反的电流 时，导线产生的磁场将相互抵消，理论上电感为零，因此，采 用的这种结构可有效降低直流侧回路的分布电感。

图 3 IGBT与直流侧电容连接结构

3有源濾波器缓冲电路的结构设计

IGBT过电压保护的目的是为了降低IGBT集-射极间的 电压Uce，它可以通过降低IGBT开关速度来实现。通过增大 驱动电路栅极电阻Rg的方法，可以降低开关速度，但是在增 大Rg的同时会增加开关损耗，因此这种方法不可取。目前, 防止过电压的有效方法是设计参数合理的缓冲电路电 图4 所示是通常采用的几种缓冲保护电路的原理图，它们的特点如 表1所列。

表1常见缓冲电路的特点

缓冲电路在设计安装中应注意以下事项：

在进行装配时，要尽量降低主电路和缓冲电路的分布 电感，而且接线越短越粗越好；

IGBT关断时，必须控制在安全操作区域内；

缓冲电容Cs应采用低感高频且性能良好的电容，引 线应尽量短，可直接接在IGBT的端子上；

缓冲电阻Rs应满足IGBT在下一次动作前将存储在

缓冲电容G中的电荷放完的要求；

(5)缓冲二极管Ds应选用快开通和快恢复二极管，避免

产生开通过电压和反向恢复所引起的较大振荡过电压。

图4常见的缓冲电路原理图

式中，乙为主电路的寄生电感，这个参数要用专用的设备才能 测出，本设计以1卩H/m的估算结果作为计算值；为IGBT 关断时的集电极电流，计算时取IGBT的额定电流的两倍 2X150 A ；表示直流电源电压，取P-N间短路保护时的额 定电压800 V ； Vcep是缓冲电容器电压的最终到达值，一般取 C-E间电压的0.9倍，即0.9X1 200 V。

通过计算可得，C为1.15卩F。由于以上寄生电感的值为 估算值，所以实际电容值应以此为基础，在实验的基础上确 定最佳值。经大量实验，本系统最终采用了 1卩F/1 200 VDC 的高频薄膜电容作为缓冲电容。

缓冲电阻Rs一般可由下式求出：

0)

式中，/为开关频率，取16.2 kHz作为计算值，把缓冲电容值 1卩F代入，即可得出缓冲电阻Rs的最大值为26.84 Q。

缓冲电阻Rs发生的损耗P与电阻值无关，一般可以由下 式求出：

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

因此，本装置选择25 Q/250 W的电阻作为缓冲电阻。

缓冲二极管Ds的选取应避免关断时严重的振荡，本文选 择富士电机生产的ERG28-12。

此外，为了更好地吸收过电压，实际应用时，应根据实 际情况(例如容量、损耗等)选择混合缓冲电路，这样有助于 取长补短，发挥各缓冲电路的优点。本文研制的APF样机就 是采用C缓冲电路与放电阻止型RCD缓冲电路联合的方法, 实际运行效果良好。缓冲电路电容两端的电压波形如图5所 示，由图可见，电容两端电压较为平稳，无大幅度的尖峰电压;

图5缓冲电路电容两端电压波形

IGBT发射极与集电极间电压波动波形如图6所示，发射极与 集电极间电压较为平缓，未出现多次振荡且幅值过大的过冲 电压，表明该缓冲电路很好地吸收了寄生电感所产生的尖峰电 压，尖峰过压问题得到了解决。

图6 IGBT射-集电极间电压波动波形

4结语

SAPF可以有效治理电网谐波和补偿无功功率，本文所 述的主电路优化方案以及C缓冲电路与放电阻止型RCD缓 冲电路组成混合缓冲电路的设计方案，可以有效抑制寄生电 感对系统的负面影响，并通过样机试验验证了设计的可行性, 避免了由于过电压而导致IGBT的损坏问题，保证了并联有源 电力滤波器的安全运行。

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