Ⅰ型三電平有源濾波器的保護(hù)設(shè)計(jì)

朱 沁

上海電氣輸配電集團(tuán)技術(shù)中心 上海 200042

1 有源濾波器概述

在理想情況下,一般將三相電力系統(tǒng)看作一個(gè)線性系統(tǒng),系統(tǒng)中電壓、電流波形不會(huì)發(fā)生畸變。但是,伴隨著各種非線性負(fù)載及電力電子裝置的廣泛使用,電力系統(tǒng)中電流的畸變嚴(yán)重,導(dǎo)致沿線其它設(shè)備的正常工作都受到影響。與此同時(shí),隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和人民生活水平的不斷提高,供電質(zhì)量及供電安全性、有效性被人們逐步關(guān)注,用于電網(wǎng)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)难b置——有源濾波器應(yīng)運(yùn)而生[1]。

有源濾波器在主電路的拓?fù)渲锌梢苑譃閮深?二電平有源濾波器和多電平有源濾波器[2]。二電平有源濾波器雖然在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略和實(shí)現(xiàn)方法方面都已經(jīng)比較成熟,但是缺點(diǎn)也非常突出:① 在高開關(guān)頻率與高電壓工況下,會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生大量諧波;② 功率器件開關(guān)條件要求高,并且會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗;③ 即使采用器件串聯(lián)的方式,也會(huì)引起均壓和電磁干擾等問題[3],不僅成本高,而且輸出效率低。

針對(duì)二電平有源濾波器的缺點(diǎn),技術(shù)人員研究了多電平技術(shù)。多電平技術(shù)中,三電平是最實(shí)用且應(yīng)用最廣泛的一種技術(shù),其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是Ⅰ型和T型[4]。

從結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、損耗高低及控制的難易程度等方面考慮,Ⅰ型開關(guān)管在高頻中的損耗比T型開關(guān)管低[5],結(jié)構(gòu)與T型開關(guān)管相比則差別不大,但控制程序更復(fù)雜,要受到內(nèi)、外管關(guān)斷時(shí)序的影響。Ⅰ型三電平有源濾波器目前在市場(chǎng)中占有率高,因此筆者研究Ⅰ型三電平有源濾波器的內(nèi)、外管不均壓?jiǎn)栴},對(duì)Ⅰ型三電平有源濾波器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì)。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Ⅰ型三電平有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。C1、C2為有源濾波器直流側(cè)電容,C1和C2串聯(lián)構(gòu)成母線電容,Ta1、Ta2、Ta3、Ta4等為帶續(xù)流二極管的開關(guān)管,Udc為有源濾波器直流測(cè)電壓,UaN、UbN、UcN為三相電壓,Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2為中點(diǎn)鉗位二極管。三相每個(gè)橋臂上有四個(gè)開關(guān)管,每個(gè)開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)不同的電平狀態(tài)。

圖1 Ⅰ型三電平有源濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 工作原理

以A相以例,簡(jiǎn)要分析Ⅰ型三電平有源濾波器的工作原理。輸入端由兩個(gè)相同的電容C1和C2組成串聯(lián)形式,對(duì)直流側(cè)進(jìn)行分壓。三種工作模式如圖2所示[6]。

(1) 工作模式1。正半周期內(nèi)Ta1動(dòng)作,Ta3與Ta1狀態(tài)對(duì)應(yīng)互補(bǔ)。Ta2處于導(dǎo)通狀態(tài),Ta4處于關(guān)斷狀態(tài)。電流由有源濾波器流向電網(wǎng)時(shí),由電容C1經(jīng)過Ta1、Ta2向電網(wǎng)發(fā)電,此時(shí)A相輸出電壓UaN為Udc/2。同理,電流由電網(wǎng)流向有源濾波器時(shí),A相電壓UaN也為Udc/2。

(2) 工作模式0。Ta2、Ta3處于導(dǎo)通狀態(tài),Ta1、Ta4處于關(guān)斷狀態(tài)。電流由有源濾波器流向電網(wǎng)時(shí),電流經(jīng)過N點(diǎn)及Da1、Ta2向電網(wǎng)放電,此時(shí)A相輸出電壓UaN等于N點(diǎn)電壓。同理,電流由電網(wǎng)流向有源濾波器時(shí),A相電壓UaN與N點(diǎn)電壓相等。

(3) 工作模式-1。負(fù)半周期內(nèi),四個(gè)開關(guān)管的狀態(tài)與正半周期相反,即Ta4動(dòng)作,Ta2與Ta4狀態(tài)對(duì)應(yīng)互補(bǔ)。Ta3處于導(dǎo)通狀態(tài),Ta1處于關(guān)斷狀態(tài)。電流由有源濾波器流向電網(wǎng)時(shí),由電容C2經(jīng)過Ta3、Ta4反并聯(lián)向電網(wǎng)放電,此時(shí)A相輸出電壓UaN等于-Udc/2。同理,電流由電網(wǎng)流向有源濾波器時(shí),A相電壓UaN也為-Udc/2。

圖2 Ⅰ型三電平有源濾波器工作模式

由以上工作模式分析可以看出,在正半周期內(nèi),Ta1、Ta2導(dǎo)通時(shí),Ta3、Ta4關(guān)斷,Ta3、Ta4串聯(lián)承受雙邊母線電壓Udc;在負(fù)半周期內(nèi),Ta3、Ta4導(dǎo)通時(shí),Ta1、Ta2關(guān)斷,Ta1、Ta2串聯(lián)承受雙邊母線電壓Udc;每個(gè)開關(guān)管及鉗位二極管關(guān)斷時(shí),承受的反向電壓最大為半邊母線電壓Udc/2。

4 不均壓分析

一般情況下,Ⅰ型三電平有源濾波器的四個(gè)開關(guān)管與兩個(gè)二極管受到的耐壓均相同,開關(guān)管的不均壓主要表現(xiàn)在開機(jī)與關(guān)機(jī)時(shí)刻。不均壓的根本原因是絕緣柵雙極晶體管中每個(gè)開關(guān)管的生產(chǎn)線工藝、批次差異,導(dǎo)致寄生參數(shù)不同。開關(guān)管在關(guān)斷后承受的電壓主要取決于集電極與發(fā)射極輸出電容的大小,輸出電容越大,分到的電壓越小,輸出電容越小,分到的電壓越大[7]。

如圖3所示,分兩種情況對(duì)Ⅰ型三電平有源濾波器進(jìn)行不均壓分析。當(dāng)系統(tǒng)電流流出橋臂中點(diǎn)時(shí),電感續(xù)流,D3、D4打開,橋臂中點(diǎn)電壓與直流側(cè)-BUS基本相等。當(dāng)遇到短路或過流情況時(shí),關(guān)斷Ta1、Ta2,此時(shí)Ta1、Ta2的輸出電容一起承受雙邊母線電壓。當(dāng)Ta1輸出電容小于Ta2輸出電容時(shí),Ta1先進(jìn)入退飽和區(qū)進(jìn)行關(guān)斷,通過D5將Ta1、Ta2的中點(diǎn)電壓鉗位在零電壓,Ta2后關(guān)斷,無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)Ta1輸出電容大于Ta2輸出電容時(shí),Ta2先進(jìn)入退飽和區(qū)進(jìn)行關(guān)斷,D5承受負(fù)電壓,無(wú)法將Ta1、Ta2的中點(diǎn)電壓鉗位到零電壓,導(dǎo)致Ta1、Ta2電壓不均。極限情況下,Ta2關(guān)斷時(shí)會(huì)承受雙邊母線電壓,發(fā)生雪崩擊穿,導(dǎo)致?lián)p壞。

當(dāng)系統(tǒng)電流入橋臂中點(diǎn)時(shí),電感續(xù)流,D1、D2打開,橋臂中點(diǎn)電壓與直流側(cè)+BUS基本相等。當(dāng)遇到短路或過流情況時(shí),關(guān)斷Ta3、Ta4,此時(shí)Ta3、Ta4的輸出電容一起承受雙邊母線電壓。當(dāng)Ta4輸出電容小于Ta3輸出電容時(shí),Ta4先進(jìn)入退飽和區(qū)進(jìn)行關(guān)斷,通過D6將Ta3、Ta4的中點(diǎn)電壓鉗位在零電壓,Ta3后關(guān)斷,無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)Ta4輸出電容大于Ta3輸出電容時(shí),Ta3先進(jìn)入退飽和區(qū)進(jìn)行關(guān)斷,D6承受負(fù)電壓,無(wú)法將Ta3、Ta4的中點(diǎn)電壓鉗位到零電壓,導(dǎo)致Ta3、Ta4電壓不均。極限情況下,Ta3關(guān)斷時(shí)會(huì)承受雙邊母線電壓,發(fā)生雪崩擊穿,導(dǎo)致?lián)p壞。

5 保護(hù)策略

由Ⅰ型三電平有源濾波器內(nèi)、外管開關(guān)時(shí)刻均壓分析可知,單從絕緣柵雙極晶體管硬件上是無(wú)法消除自身的寄生參數(shù)差異的[8]。目前,傳統(tǒng)應(yīng)對(duì)Ⅰ型三電平有源濾波器開關(guān)時(shí)刻不均壓的方法是通過系統(tǒng)短路或過流時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊報(bào)故障輸出,在主控制器的軟件中加入時(shí)序優(yōu)先級(jí),先關(guān)閉外管,再關(guān)閉內(nèi)管。雖然這一方法能在理論上避免內(nèi)、外管開關(guān)時(shí)刻的不均壓,但也存在一些弊端,主要是系統(tǒng)響應(yīng)處理時(shí)間往往長(zhǎng)于絕緣柵雙極晶體管的最長(zhǎng)短路承受時(shí)間(10μs)[9-10]。

圖3 Ⅰ型三電平有源濾波器不均壓分析

針對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)方法的缺點(diǎn),筆者提出一種新的保護(hù)策略,忽略Ⅰ型三電平有源濾波器的關(guān)管順序。當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí),無(wú)論是內(nèi)管還是外管,馬上將對(duì)應(yīng)的開關(guān)管關(guān)斷,發(fā)送故障信號(hào)至外圍保護(hù)電路和主控制器。外圍保護(hù)電路負(fù)責(zé)在最短時(shí)間內(nèi)關(guān)斷外管,而其余開關(guān)管由主控制器關(guān)斷。例如,如果檢測(cè)到內(nèi)管Ta2故障,那么馬上向內(nèi)管Ta2發(fā)出關(guān)斷指令,而實(shí)際上內(nèi)管Ta2并不會(huì)被關(guān)斷,因?yàn)橛性淬Q位功能將Ta2電壓鉗住,不會(huì)出現(xiàn)過壓。同時(shí),故障信號(hào)發(fā)送至外圍保護(hù)電路,外圍保護(hù)電路收到故障信號(hào)后立即封閉對(duì)應(yīng)的外管Ta1、Ta4脈沖。此時(shí),內(nèi)管Ta2退出線性區(qū),自行關(guān)斷,剩余Ta3管通過主控制器信號(hào)關(guān)斷。

選用2SC0108T2芯片,搭建驅(qū)動(dòng)電路?？紤]到Ta1與Ta3脈沖的互補(bǔ)性,一個(gè)2SC0108T2芯片對(duì)應(yīng)Ta1與Ta3,另一個(gè)2SC0108T2芯片對(duì)應(yīng)Ta2與Ta4,所以單相只需兩個(gè)2SC0108T2芯片。以Ta1為例,其驅(qū)動(dòng)電路的有源鉗位功能原理如圖4所示。在絕緣柵雙極晶體管集電極至發(fā)射極串聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制二極管,反饋至驅(qū)動(dòng)模塊ACL2管腳,瞬態(tài)電壓抑制二極管的數(shù)量與耐壓值根據(jù)系統(tǒng)母線電壓值及其波動(dòng)來(lái)設(shè)置。故障響應(yīng)時(shí)間Tax可以通過R3的電阻值R3與C1的電容值C1等來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié),關(guān)系式為[11]:

(1)

式中:UGLx為驅(qū)動(dòng)電路輸出的關(guān)斷電壓絕對(duì)值,V。

圖4 有源鉗位驅(qū)動(dòng)電路原理

以Ta1、Ta2為例,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生短路或過流故障時(shí),如果Ta1的輸出電容小于Ta2的輸出電容,那么此時(shí)驅(qū)動(dòng)模塊先將Ta1關(guān)斷,Ta2也可以正常關(guān)斷。如果Ta1的輸出電容大于Ta2的輸出電容,那么按照驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì),驅(qū)動(dòng)模塊先將Ta2關(guān)斷,但是由于有源鉗位的作用,電路中集電極至發(fā)射極電壓超過了預(yù)設(shè)的閾值,Ta2被部分打開,從而令Ta2集電極至發(fā)射極電壓得到抑制,此時(shí)Ta2在線性區(qū)內(nèi)工作。與此同時(shí),驅(qū)動(dòng)模塊將故障信號(hào)發(fā)送至外圍保護(hù)電路,及時(shí)關(guān)斷Ta1。Ta2則退出線性區(qū),正常關(guān)斷。

外圍保護(hù)電路芯片接線如圖5所示。以A相為例,筆者采用與門芯片CD4082B對(duì)四個(gè)開關(guān)管的SO故障信號(hào)A_Q1_SO、A_Q2_SO、A_Q3_SO、A_Q4_SO進(jìn)行采集并運(yùn)算,只要有任何一個(gè)開關(guān)管故障,報(bào)出SO信號(hào),與門芯片就能報(bào)出該相總故障信號(hào),A_FAULT低電平有效,同時(shí)四個(gè)開關(guān)管的輸入端脈沖信號(hào)A_Q1_PWM、A_Q2_PWM、A_Q3_PWM、A_Q4_PWM都經(jīng)過與門芯片,其中兩個(gè)外管信號(hào)A_Q1_PWM、A_Q4_PWM需要與該相總故障信號(hào)進(jìn)行處理,內(nèi)管則不需要處理?？梢?這一外圍保護(hù)電路可以實(shí)現(xiàn)在某相短路或過流時(shí),無(wú)論內(nèi)管還是外管先關(guān)斷,都在納秒級(jí)別短時(shí)間內(nèi)先將外管關(guān)斷,以保證內(nèi)管能夠在絕緣柵雙極晶體管的最長(zhǎng)短路承受時(shí)間10μs內(nèi)安全關(guān)斷。

圖5 外圍保護(hù)電路芯片接線

6 仿真驗(yàn)證

應(yīng)用Tina-TI軟件進(jìn)行仿真,主控對(duì)Ta1、Ta2、Ta3、Ta4輸入長(zhǎng)于10μs的脈沖,模擬外管Ta1故障。立即關(guān)斷Ta1,用探頭監(jiān)測(cè)Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的輸出波形、響應(yīng)時(shí)間延遲及Ta1對(duì)應(yīng)的SO1故障信號(hào),如圖6所示。當(dāng)檢測(cè)到Ta1故障時(shí),驅(qū)動(dòng)電路先封閉Ta1的輸出脈沖,延時(shí)300 ns后報(bào)出SO1故障。該故障信號(hào)傳送至外圍保護(hù)電路,外圍保護(hù)電路經(jīng)過50 ns立即封閉Ta1和Ta4的驅(qū)動(dòng)輸入脈沖。另一方面,主控制器接收到故障信號(hào)2μs后,關(guān)斷Ta2和Ta3。

同理,主控對(duì)Ta1、Ta2、Ta3、Ta4輸入長(zhǎng)于10μs的脈沖,模擬內(nèi)管Ta3故障。立即關(guān)斷Ta3,用探頭監(jiān)測(cè)Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的輸出波形、響應(yīng)時(shí)間延遲及Ta3對(duì)應(yīng)的SO3故障信號(hào),如圖7所示。當(dāng)檢測(cè)到Ta3故障時(shí),驅(qū)動(dòng)電路先封閉Ta3的輸出脈沖,延時(shí)350 ns后報(bào)出SO3故障。

SO3故障信號(hào)傳送至外圍保護(hù)電路,外圍保護(hù)電路經(jīng)過100 ns立即封閉Ta1和Ta4的驅(qū)動(dòng)輸入脈沖。另一方面,主控制器接收到故障信號(hào)2μs后,關(guān)斷Ta2和Ta3。

由以上仿真結(jié)果可以看出,無(wú)論先關(guān)斷外管Ta1還是先關(guān)斷內(nèi)管Ta3,筆者提出的保護(hù)策略都可以在納秒級(jí)別短時(shí)間內(nèi)關(guān)斷兩外管驅(qū)動(dòng)輸入脈沖,隨后由主控制器關(guān)斷兩內(nèi)管輸入脈沖,整個(gè)過程不長(zhǎng)于10μs,對(duì)絕緣柵雙極晶體管而言,是安全的。

圖6 外管Ta1故障仿真結(jié)果

圖7 內(nèi)管Ta3故障仿真結(jié)果

7 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證筆者所提出的Ⅰ型三電平有源濾波器保護(hù)策略的正確性和可靠性,筆者在有源濾波器模塊平臺(tái)上進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),設(shè)置母線電壓為800 V,電流為50 A,短路響應(yīng)時(shí)間為4μs，Ⅰ型三電平有源濾波器選用F3L100R07W2E3型,驅(qū)動(dòng)電路芯片選用2SC0108T2。試驗(yàn)平臺(tái)如圖8所示,試驗(yàn)電路如圖9所示。對(duì)正母線與交流輸出端施加65μH電感,對(duì)直流母線電壓半橋臂施加400 V電壓,對(duì)Ta3施加一個(gè)時(shí)長(zhǎng)大約為10μs的單脈沖,延時(shí)2μs后對(duì)Ta4施加一個(gè)時(shí)長(zhǎng)大約為10μs的單脈沖,模擬先關(guān)斷Ta3,分別觀察Ta3和Ta4門極電壓、輸出電壓及短路電流。

試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,黃色為Ta3門極電壓波形,綠色為Ta3輸出電壓波形,紫色為Ta4門極電壓波形,紅色為短路電流波形。

圖8 試驗(yàn)平臺(tái)

圖9 試驗(yàn)電路

圖10 試驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)短路故障時(shí),對(duì)保護(hù)策略進(jìn)行分析。所有絕緣柵雙極晶體管處于關(guān)斷狀態(tài),Udc為400 V。導(dǎo)通Ta3,再導(dǎo)通Ta4,負(fù)載電流直線上升。關(guān)斷Ta3,正確的換流順序應(yīng)該是先關(guān)斷Ta4,但此處模擬一個(gè)錯(cuò)誤,先關(guān)斷Ta3。如果沒有所設(shè)計(jì)的有源鉗位驅(qū)動(dòng)電路,負(fù)載電流會(huì)被D1、D2續(xù)流,Ta3會(huì)因承受整個(gè)母線電壓而損壞。此時(shí)Ta3輸出電壓出現(xiàn)尖峰,大約為600 V,然后被有源鉗位驅(qū)動(dòng)電路鉗至530 V左右。負(fù)載電流仍然流過Ta3,Ta3實(shí)際上沒有被關(guān)斷,而是進(jìn)入線性區(qū),負(fù)載電感上仍有電壓,負(fù)載電流會(huì)繼續(xù)增大,但斜率變小。外圍保護(hù)電路立即關(guān)斷Ta4,內(nèi)管Ta3隨后安全關(guān)斷,負(fù)載電流被切斷,故障狀態(tài)結(jié)束。

試驗(yàn)結(jié)果表明,在短路時(shí)即使先關(guān)斷內(nèi)管,外圍保護(hù)電路也能立即關(guān)斷外管,從而保證安全,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可靠性。

8 結(jié)束語(yǔ)

筆者對(duì)Ⅰ型三電平有源濾波器進(jìn)行保護(hù)設(shè)計(jì),充分利用Ⅰ型三電平有源濾波器在故障時(shí)不均壓的特點(diǎn)及開關(guān)管關(guān)斷特性,通過有源鉗位驅(qū)動(dòng)電路將內(nèi)管電壓限制在可靠電壓范圍內(nèi),再利用外圍保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)外管的關(guān)斷功能,保證絕緣柵雙極晶體管在故障時(shí)安全關(guān)斷。通過軟件仿真與實(shí)物平臺(tái)試驗(yàn)驗(yàn)證,證明所提出的保護(hù)策略的正確性與有效性,對(duì)提高Ⅰ型三電平有源濾波器運(yùn)行的可靠性具有實(shí)用價(jià)值。