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

摘要：針對并聯(lián)有源電力濾波器在運(yùn)行過程中會多次出現(xiàn)IGBT爆炸的問題，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析了IGBT的過電壓形成過程。鑒于IGBT的關(guān)斷時(shí)間極短，連接導(dǎo)線上寄生的微小雜散電感在高頻開關(guān)的作用下會產(chǎn)生尖峰過電壓，并與原有電壓疊加，從而對IGBT的安全構(gòu)成威脅。文中為設(shè)計(jì)的100 kV·A并聯(lián)有源電力濾波器所選擇的IGBT模塊設(shè)計(jì)了一種緩沖電路，從而解決了IGBT模塊爆炸的問題，保證了并聯(lián)有源電力濾波器的安全運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：SAPF；IGBT；過電壓；寄生電感

0 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(shí)，如果保護(hù)不及時(shí)，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(jì)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(shí)，IGBT模塊無論是在產(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(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Ls1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(shí)間tf=0．18～0．3 ms。若tf取0．2 ms，并取100 kV·A容量的APF電流為150A計(jì)算，其電流變化di=150A，則：

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1μH，普通電阻的寄生電感可能在10 μH以上，定制的無感電阻的寄生電感也有2～3 μH。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。
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(shí)發(fā)射極與集電極間電壓波動(dòng)波形如圖2所示。

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(jì)合理的吸收緩沖電路。