并聯(lián)有源電力濾波器保護的關鍵技術研究

摘要：針對并聯(lián)有源電力濾波器在運行過程中會多次出現(xiàn)IGBT爆炸的問題，經(jīng)過實驗分析了IGBT的過電壓形成過程。鑒于IGBT的關斷時間極短，連接導線上寄生的微小雜散電感在高頻開關的作用下會產(chǎn)生尖峰過電壓，并與原有電壓疊加，從而對IGBT的安全構成威脅。文中為設計的100 kV·A并聯(lián)有源電力濾波器所選擇的IGBT模塊設計了一種緩沖電路，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行。
關鍵詞：SAPF；IGBT；過電壓；寄生電感

0 引言
由于IGBT功率模塊具有開關頻率高、可靠性高等優(yōu)點，因而成為SAPF主電路PWM變流器結構的主選。但是，鑒于其固有的過載能力較差，當出現(xiàn)過流、過壓故障，特別是短路故障時，如果保護不及時，往往會造成其永久性損壞。為此，本文分析了導致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構優(yōu)化和緩沖電路的設計方案，并通過實際裝置的運行，驗證了這些方案的有效性。

1 IGBT過電壓的形成過程
在并聯(lián)有源電力濾波器運行時，IGBT模塊無論是在產(chǎn)生補償電流時，還是在電網(wǎng)向直流側電容充電時，都起著相當重要的作用，但是，由于其自身固有特性，在關斷瞬間或是續(xù)流二極管恢復反向阻斷能力時都會產(chǎn)生過電壓，從而對IGBT的安全運行構成威脅。為此，本文按照搭建的100 kV·A樣機容量的要求，選用日本富士電機生產(chǎn)的R系列IGBT-IPM模塊7MBP150RA120作為變流器構成主電路，并為其設計了吸收緩沖電路。

圖1所示是單個IGBT及外圍電路圖，其中Ls1和Ls2為連接IGBT模塊導線的寄生電感。從模塊手冊可知，IGBT從導通到關斷，其電流從90％下降到10％所需要的時間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)生的感應電壓，筆者將系統(tǒng)線電壓調至100 V，直流側電容電壓控制在180 V，通過試驗運行，所獲得的直流母線電壓波形和IGBT關斷時發(fā)射極與集電極間電壓波動波形如圖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100 V；在IGBT關斷瞬間，UCE的幅值接近90 V，這都對IGBT的安全運行構成威脅。解決模塊過電壓的關鍵方法是設法減小模塊電路直流側的寄生電感，優(yōu)化主電路結構，設計合理的吸收緩沖電路。