并聯(lián)有源電力濾波器保護的關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要：針對并聯(lián)有源電力濾波器在運行過(guò)程中會(huì )多次出現IGBT爆炸的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)驗分析了IGBT的過(guò)電壓形成過(guò)程。鑒于IGBT的關(guān)斷時(shí)間極短，連接導線(xiàn)上寄生的微小雜散電感在高頻開(kāi)關(guān)的作用下會(huì )產(chǎn)生尖峰過(guò)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(wèn)題，保證了并聯(lián)有源電力濾波器的安全運行。
關(guān)鍵詞：SAPF；IGBT；過(guò)電壓；寄生電感

0 引言
由于IGBT功率模塊具有開(kāi)關(guān)頻率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，因而成為SAPF主電路PWM變流器結構的主選。但是，鑒于其固有的過(guò)載能力較差，當出現過(guò)流、過(guò)壓故障，特別是短路故障時(shí)，如果保護不及時(shí)，往往會(huì )造成其永久性損壞。為此，本文分析了導致IGBT損壞的常見(jiàn)誘因——過(guò)電壓的形成過(guò)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(guò)實(shí)際裝置的運行，驗證了這些方案的有效性。

1 IGBT過(guò)電壓的形成過(guò)程
在并聯(lián)有源電力濾波器運行時(shí)，IGBT模塊無(wú)論是在產(chǎn)生補償電流時(shí)，還是在電網(wǎng)向直流側電容充電時(shí)，都起著(zhù)相當重要的作用，但是，由于其自身固有特性，在關(guān)斷瞬間或是續流二極管恢復反向阻斷能力時(shí)都會(huì )產(chǎn)生過(guò)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(gè)IGBT及外圍電路圖，其中Ls1和Ls2為連接IGBT模塊導線(xiàn)的寄生電感。從模塊手冊可知，IGBT從導通到關(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(guò)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(wú)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(guò)電壓，致使IGBT模塊被擊穿損壞。
為了更直觀(guān)地觀(guān)察寄生電感產(chǎn)生的感應電壓，筆者將系統線(xiàn)電壓調至100 V，直流側電容電壓控制在180 V，通過(guò)試驗運行，所獲得的直流母線(xiàn)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(jiàn)，尖峰電壓最大幅值可達100 V；在IGBT關(guān)斷瞬間，UCE的幅值接近90 V，這都對IGBT的安全運行構成威脅。解決模塊過(guò)電壓的關(guān)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。