并聯有源電力濾波器保護的關鍵技術研究

摘要：針對并聯有源電力濾波器在運行過程中會多次出現IGBT爆炸的問題，經過實驗分析了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
在并聯有源電力濾波器運行時，IGBT模塊無論是在產生補償電流時，還是在電網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，在關斷瞬間或是續流二極管恢復反向阻斷能力時都會產生過電壓，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生的感應電壓，筆者將系統線電壓調至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，優化主電路結構，設計合理的吸收緩沖電路。