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。
评论