有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)及仿真分析

趙 沖

（南陽技師學(xué)院，河南南陽）

有源電力濾波器（APF）是一種抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力裝置，在降低線路損耗和減少電能浪費(fèi)，以及延長電機(jī)設(shè)備使用壽命等方面發(fā)揮了重要作用，被廣泛應(yīng)用于通信、電力、石化、汽車制造等領(lǐng)域。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為一種電壓驅(qū)動(dòng)型器件，具有控制效果好、工作頻率高、對高次諧波補(bǔ)償效果好等特點(diǎn)，常用作有源電力濾波器的驅(qū)動(dòng)器件。為了保證有源電力濾波器的穩(wěn)定運(yùn)行，必須要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路，保證在設(shè)備運(yùn)行過程中發(fā)生過電壓、過電流等異常工況時(shí)，能夠發(fā)揮相應(yīng)的保護(hù)作用，避免停運(yùn)事故的發(fā)生。

1 有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1.1 過電壓保護(hù)

當(dāng)IGBT 閉合時(shí)，線路中的感應(yīng)電流突然增加，并在開關(guān)處產(chǎn)生浪涌電壓，隨即出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)保護(hù)回路時(shí)，為了抑制過電壓可加入一個(gè)緩沖充放電（RCD）吸收電路，電路圖如圖1 所示。

圖1 中，D 表示二極管；C 表示電容；R 表示電阻；VD 表示三極管。當(dāng)IGBT 斷開時(shí)，外接電源經(jīng)過二極管向電容充電；當(dāng)IGBT 接通后，電容開始向外放電，并利用電阻進(jìn)行調(diào)壓，保證電路中電流平穩(wěn)，避免出現(xiàn)尖峰電流。這樣一來，IGBT 每完成一次通斷，電路中的電容就同步完成一次充放電。設(shè)計(jì)RCD 吸收電路抑制過電壓，能夠保證電壓和電流的增加與降低都趨于平緩，不會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)大電流或瞬時(shí)高電壓情況，從而降低了損耗、保證了安全[1]。在設(shè)計(jì)RCD 吸收電路時(shí)，電阻的選擇是需要關(guān)注的重點(diǎn)，如果電阻偏小會(huì)導(dǎo)致回路調(diào)壓不平穩(wěn)。電阻的計(jì)算公式為：

式中，f 表示開關(guān)頻率；C 表示電容，可通過下式求得：

式中，L 表示主電路的分布電感；I 表示集電極電流；V 表示RCD 吸收回路電壓最大值；U 表示直流電壓。

1.2 過電流保護(hù)

IGBT 的過載能力有限，通常情況下只能承受1～100 μs 的短路電流，如果發(fā)生短路問題后沒有采取有效的過電流保護(hù)措施，在電流熱效應(yīng)的影響下電力器件會(huì)因?yàn)楦邷囟鴵p壞，因此在有源電力濾波器的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)中，需要加入IGBT 過電流保護(hù)。常用的過電流保護(hù)方式有2 種，一種是“硬關(guān)斷”，利用柵極驅(qū)動(dòng)信號與集電極電壓相互影響的關(guān)系，在發(fā)生短路故障后，立即切斷柵極信號，同時(shí)關(guān)斷IGBT，使電路中集電極電壓為0，進(jìn)而消除集電極電流，達(dá)到過電流保護(hù)效果。該方法雖然理論上可行，但是實(shí)際應(yīng)用中IGBT 的短路電流是額定電流的幾倍甚至十幾倍，直接切斷柵極信號可能會(huì)導(dǎo)致壓降過于明顯，造成IGBT 受損。另一種是“軟關(guān)斷”，在檢測到過電流信號后立即降低柵壓，但是IGBT 仍然保證導(dǎo)通，將過流時(shí)的電流維持在額定電流的1.5 倍左右，防止IGBT 發(fā)生鎖定損壞，并延長其短路承受時(shí)間。然后進(jìn)一步判定是否過流，確定過流后把柵壓恢復(fù)正常；不存在過流后將柵極電壓軟關(guān)斷，使電壓逐步降低為0，實(shí)現(xiàn)對電流的封鎖[2]。

在過電流保護(hù)中，過電流的檢測與控制是兩個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其中，過電流檢測采用“集電極電壓識別法”，其原理是利用集電極壓降與集電極電流成正相關(guān)的關(guān)系，測量集電極壓降進(jìn)而判斷集電極電流的大小。檢測電路如圖2 所示。

圖2 過電流檢測電路

本文采用延時(shí)過流保護(hù)達(dá)到“軟關(guān)斷”的效果，其原理是檢測到電路中存在過電流后，降低柵極驅(qū)動(dòng)電壓，觀察在IGBT 導(dǎo)通情況下工作電壓是否恢復(fù)正常；如果電壓正常，說明故障電流消失；反之，則切斷柵極信號，實(shí)現(xiàn)延時(shí)保護(hù)。在延時(shí)過流保護(hù)電路中，核心裝置是EXB841 驅(qū)動(dòng)芯片，最大驅(qū)動(dòng)電壓可以達(dá)到150 V，最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到320 A，驅(qū)動(dòng)電路的信號延遲為2.0 μs，采用嵌入式光耦合器，提高了過電流狀態(tài)下的電路保護(hù)效果。

1.3 過熱保護(hù)

IGBT 作為一種電力電子器件，在運(yùn)行時(shí)不可避免地會(huì)出現(xiàn)一定損耗，主要表現(xiàn)為開關(guān)損耗、通態(tài)損耗。隨著IGBT 運(yùn)行時(shí)間的增加，損耗相應(yīng)上升，此時(shí)基板溫度也會(huì)呈現(xiàn)出線性增長趨勢[3]。由于IGBT 結(jié)構(gòu)特性和工作原理的影響，基本溫度越高，耗散功率和集電極電流越小，其關(guān)系如圖3 所示。

圖3 基板溫度與耗散功率、集電極電流的關(guān)系

結(jié)合圖3 可知，當(dāng)基板溫度超過25 ℃時(shí)，集電極電流開始下降；當(dāng)基板溫度超過75 ℃時(shí)，耗散功率開始下降。因此，必須要對IGBT 基板的溫度采取控制措施，為此在設(shè)計(jì)有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路時(shí)，采取了過熱保護(hù)措施。比較簡單的方法是在電路中增加一個(gè)散熱裝置，例如小功率風(fēng)扇或者散熱片，加快IGBT 基板的熱量散失，從而達(dá)到降溫目的；或者是加裝一個(gè)溫度傳感器，實(shí)時(shí)檢測IGBT 基板的溫度，當(dāng)檢測值超過預(yù)設(shè)值時(shí)，切斷柵極驅(qū)動(dòng)信號，也能起到過熱保護(hù)效果。

本文在設(shè)計(jì)過熱保護(hù)時(shí)，綜合采取了加裝散熱片與溫控元件控制柵極驅(qū)動(dòng)信號的方式。當(dāng)IGBT 正常運(yùn)行時(shí)，溫控元件及其所在的回路導(dǎo)通，輸出一個(gè)低電平；當(dāng)IGBT 基板的實(shí)際溫度超過預(yù)設(shè)溫度后，溫控開關(guān)動(dòng)作，斷開電路，輸出一個(gè)高電平。此時(shí)散熱片的觸發(fā)器運(yùn)行，散熱片開始工作，加快基板熱量的散失；當(dāng)IGBT 基板的實(shí)際溫度重新恢復(fù)正常區(qū)間后，輸出一個(gè)低電平，散熱片停止工作。這樣既可以達(dá)到過熱保護(hù)效果，同時(shí)又能降低能耗[4]。

2 有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的仿真

2.1 仿真環(huán)境

為了驗(yàn)證有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路的應(yīng)用效果，本文使用了基于Microsoft 操作系統(tǒng)的仿真軟件Multisim 14.0，根據(jù)有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)保護(hù)原理，設(shè)置激勵(lì)源信號和各項(xiàng)仿真參數(shù)，仿真流程如圖4 所示。

圖4 仿真流程

2.2 正常工作仿真

使用Multisim 仿真軟件模擬有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)電路在正常運(yùn)行時(shí)的驅(qū)動(dòng)信號。各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：

（1） 激勵(lì)源信號。10 kHz 方形波，占空比為50%，上升時(shí)間10 s，最大值（V1）為10 V，最小值（V2）為-10 V；

（2） 仿真參數(shù)。仿真類型為時(shí)域暫態(tài)仿真，仿真時(shí)長為1 s，仿真步長為0.1 μs；

（3） 輸入輸出信號。將一臺(tái)示波器與信號發(fā)生器連接，采集輸入波形。將另一臺(tái)示波器與IGBT 柵極和射極連接，采集IGBT 柵極、射極電壓波形[5]。

設(shè)定好上述參數(shù)后，開始運(yùn)行仿真軟件，并獲得驅(qū)動(dòng)信號的輸入和輸出波形，如圖5、圖6 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)輸入信號

圖6 驅(qū)動(dòng)輸出信號

結(jié)合圖5、圖6 可知，輸出驅(qū)動(dòng)信號的最高值為+14,0 V，最低值為-4.5 V，該仿真參數(shù)與IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)電壓（開通+15 V、關(guān)斷-5 V）較為接近，說明該仿真結(jié)果能夠滿足IGBT 對驅(qū)動(dòng)信號的要求。進(jìn)一步分析認(rèn)為，仿真結(jié)果與理論值之間存在差異的原因，是電路中三極管等電子器件存在一定電阻，進(jìn)而出現(xiàn)小幅度的下降導(dǎo)致的。另外，本次仿真實(shí)驗(yàn)表明，仿真脈沖頻率為10 kHz，在高頻下表現(xiàn)良好；驅(qū)動(dòng)輸出信號的波形較陡，說明驅(qū)動(dòng)電路的響應(yīng)速度較快，能夠很好地滿足電路保護(hù)需求。

2.3 瞬時(shí)過流故障仿真

使用Multisim 仿真軟件模擬有源電力濾波器驅(qū)動(dòng)電路在IGBT 發(fā)生瞬時(shí)過電流時(shí)“軟關(guān)斷”保護(hù)動(dòng)作情況，以及故障解決后的恢復(fù)情況。仿真電路同上，各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：

（1） 激勵(lì)源信號。5 kHz 方形波，上升時(shí)間為2 s，占空比為80%，最大值（V1）為20 V，最小值（V2）為0 V；

（2） 故障源信號。8 kHz 方形波，上升時(shí)間為10 s，占空比為80%，最大值（V1）為16 V，最小值（V2）為8 V；

（3） 仿真參數(shù)。仿真類型為時(shí)域暫態(tài)仿真，仿真時(shí)長為1 s，仿真步長為0.1 μs；

（4） 輸入輸出信號。將1#示波器與信號發(fā)生器連接，采集輸入波形。將2#示波器連接到故障輸入信號發(fā)生器上，采集故障輸入信號波形。將3#示波器分別連接在IGBT 柵極、射極上，采集電壓波形。

觀察仿真波形可得，在瞬時(shí)過電流故障發(fā)生后，延時(shí)1 μs 觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，符合前文設(shè)計(jì)中“延時(shí)過流保護(hù)”的預(yù)期。整個(gè)“軟關(guān)斷”持續(xù)時(shí)間約為10 μs，在故障信號未徹底消失前，驅(qū)動(dòng)電壓維持在0 V，在輸入信號觸發(fā)關(guān)斷后驅(qū)動(dòng)電壓開始恢復(fù)正常。從電壓波形上開，不同于正常情況下的立即恢復(fù)，而是呈線性變化，從0 V 恢復(fù)至14.4 V 大約經(jīng)歷了60 μs，最終瞬時(shí)過電流故障恢復(fù)后驅(qū)動(dòng)電壓穩(wěn)定為正常電壓的90%。隨著IGBT 重新進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，電壓最終達(dá)到16 V，即恢復(fù)為正常電壓。

結(jié)束語

諧波是造成電氣設(shè)備負(fù)載加重、絕緣介質(zhì)強(qiáng)度降低、使用壽命縮短的重要因素，給電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來了負(fù)面影響。為了抑制諧波，常采用有源電力濾波器，它能實(shí)現(xiàn)對電路中諧波的跟蹤補(bǔ)償，對維護(hù)電力系統(tǒng)的運(yùn)行安全有積極幫助。為了保證有源電力濾波器的穩(wěn)定運(yùn)行，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路?；贗GBT 的過電流保護(hù)、過電壓保護(hù)和過熱保護(hù)，能夠有效解決有源電力濾波器運(yùn)行中常見的瞬時(shí)高電壓、瞬時(shí)大電流，以及基板過熱等問題帶來的負(fù)面影響，保證了有源電力濾波器在電力系統(tǒng)中更好地發(fā)揮濾波作用。