并联有源电力滤波器保护的关键技术研究

摘要：针对并联有源电力滤波器在运行过程中会多次出现IGBT爆炸的问题，经过实验分析了IGBT的过电压形成过程。鉴于IGBT的关断时间极短，连接导线上寄生的微小杂散电感在高频开关的作用下会产生尖峰过电压，并与原有电压叠加，从而对IGBT的安全构成威胁。文中为设计的100 kV·A并联有源电力滤波器所选择的IGBT模块设计了一种缓冲电路，从而解决了IGBT模块爆炸的问题，保证了并联有源电力滤波器的安全运行。
关键词：SAPF；IGBT；过电压；寄生电感

0 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Ls1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tf=0．18～0．3 ms。若tf取0．2 ms，并取100 kV·A容量的APF电流为150A计算，其电流变化di=150A，则：

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1μH，普通电阻的寄生电感可能在10 μH以上，定制的无感电阻的寄生电感也有2～3 μH。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。
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 有源电力滤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。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引线端的零距离，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。

3 有源滤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。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。

缓冲电路在设计安装中应注意以下事项：
(1)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；
(2)IGBT关断时，必须控制在安全操作区域内；
(3)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；
(4)缓冲电阻Rs应满足IGBT在下一次动作前将存储在缓冲电容Cs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。
缓冲电容器的电容Cs可由下式求出：

式中，L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1μH／m的估算结果作为计算值；I0为IGBT关断时的集电极电流，计算时取IGBT的额定电流的两倍2×150 A；Ed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，Cs为1．15 μF。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 μF／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：

式中，f为开关频率，取16．2 kHz作为计算值，把缓冲电容值1μF代入，即可得出缓冲电阻Rs的最大值为26．84Ω。
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：

因此，本装置选择25 Ω／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；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。