Ⅰ型三電平有源濾波器的保護設計

朱 沁

上海電氣輸配電集團技術中心 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看作一個線性系統,系統中電壓、電流波形不會發生畸變。但是,伴隨著各種非線性負載及電力電子裝置的廣泛使用,電力系統中電流的畸變嚴重,導致沿線其它設備的正常工作都受到影響。與此同時,隨著電網規模的不斷擴大和人民生活水平的不斷提高,供電質量及供電安全性、有效性被人們逐步關注,用于電網諧波抑制與無功補償的裝置——有源濾波器應運而生[1]。

有源濾波器在主電路的拓撲中可以分為兩類: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撲結構、控制策略和實現方法方面都已經比較成熟,但是缺點也非常突出:① 在高開關頻率與高電壓工況下,會對電網產生大量諧波;② 功率器件開關條件要求高,并且會產生很大的功率損耗;③ 即使采用器件串聯的方式,也會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。

針對二電平有源濾波器的缺點,技術人員研究了多電平技術。多電平技術中,三電平是最實用且應用最廣泛的一種技術,其拓撲結構主要是Ⅰ型和T型[4]。

從結構復雜程度、損耗高低及控制的難易程度等方面考慮,Ⅰ型開關管在高頻中的損耗比T型開關管低[5],結構與T型開關管相比則差別不大,但控制程序更復雜,要受到內、外管關斷時序的影響。Ⅰ型三電平有源濾波器目前在市場中占有率高,因此筆者研究Ⅰ型三電平有源濾波器的內、外管不均壓問題,對Ⅰ型三電平有源濾波器進行保護設計。

2 拓撲結構

Ⅰ型三電平有源濾波器拓撲結構如圖1所示。C1、C2為有源濾波器直流側電容,C1和C2串聯構成母線電容,Ta1、Ta2、Ta3、Ta4等為帶續流二極管的開關管,Udc為有源濾波器直流測電壓,UaN、UbN、UcN為三相電壓,Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2為中點鉗位二極管。三相每個橋臂上有四個開關管,每個開關管的開關狀態組合對應不同的電平狀態。

圖1 Ⅰ型三電平有源濾波器拓撲結構

3 工作原理

以A相以例,簡要分析Ⅰ型三電平有源濾波器的工作原理。輸入端由兩個相同的電容C1和C2組成串聯形式,對直流側進行分壓。三種工作模式如圖2所示[6]。

(1) 工作模式1。正半周期內Ta1動作,Ta3與Ta1狀態對應互補。Ta2處于導通狀態,Ta4處于關斷狀態。電流由有源濾波器流向電網時,由電容C1經過Ta1、Ta2向電網發電,此時A相輸出電壓UaN為Udc/2。同理,電流由電網流向有源濾波器時,A相電壓UaN也為Udc/2。

(2) 工作模式0。Ta2、Ta3處于導通狀態,Ta1、Ta4處于關斷狀態。電流由有源濾波器流向電網時,電流經過N點及Da1、Ta2向電網放電,此時A相輸出電壓UaN等于N點電壓。同理,電流由電網流向有源濾波器時,A相電壓UaN與N點電壓相等。

(3) 工作模式-1。負半周期內,四個開關管的狀態與正半周期相反,即Ta4動作,Ta2與Ta4狀態對應互補。Ta3處于導通狀態,Ta1處于關斷狀態。電流由有源濾波器流向電網時,由電容C2經過Ta3、Ta4反并聯向電網放電,此時A相輸出電壓UaN等于-Udc/2。同理,電流由電網流向有源濾波器時,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,Ta1、Ta2導通時,Ta3、Ta4關斷,Ta3、Ta4串聯承受雙邊母線電壓Udc;在負半周期內,Ta3、Ta4導通時,Ta1、Ta2關斷,Ta1、Ta2串聯承受雙邊母線電壓Udc;每個開關管及鉗位二極管關斷時,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開關管與兩個二極管受到的耐壓均相同,開關管的不均壓主要表現在開機與關機時刻。不均壓的根本原因是絕緣柵雙極晶體管中每個開關管的生產線工藝、批次差異,導致寄生參數不同。開關管在關斷后承受的電壓主要取決于集電極與發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Ⅰ型三電平有源濾波器進行不均壓分析。當系統電流流出橋臂中點時,電感續流,D3、D4打開,橋臂中點電壓與直流側-BUS基本相等。當遇到短路或過流情況時,關斷Ta1、Ta2,此時Ta1、Ta2的輸出電容一起承受雙邊母線電壓。當Ta1輸出電容小于Ta2輸出電容時,Ta1先進入退飽和區進行關斷,通過D5將Ta1、Ta2的中點電壓鉗位在零電壓,Ta2后關斷,無風險。當Ta1輸出電容大于Ta2輸出電容時,Ta2先進入退飽和區進行關斷,D5承受負電壓,無法將Ta1、Ta2的中點電壓鉗位到零電壓,導致Ta1、Ta2電壓不均。極限情況下,Ta2關斷時會承受雙邊母線電壓,發生雪崩擊穿,導致損壞。

當系統電流入橋臂中點時,電感續流,D1、D2打開,橋臂中點電壓與直流側+BUS基本相等。當遇到短路或過流情況時,關斷Ta3、Ta4,此時Ta3、Ta4的輸出電容一起承受雙邊母線電壓。當Ta4輸出電容小于Ta3輸出電容時,Ta4先進入退飽和區進行關斷,通過D6將Ta3、Ta4的中點電壓鉗位在零電壓,Ta3后關斷,無風險。當Ta4輸出電容大于Ta3輸出電容時,Ta3先進入退飽和區進行關斷,D6承受負電壓,無法將Ta3、Ta4的中點電壓鉗位到零電壓,導致Ta3、Ta4電壓不均。極限情況下,Ta3關斷時會承受雙邊母線電壓,發生雪崩擊穿,導致損壞。

5 保護策略

由Ⅰ型三電平有源濾波器內、外管開關時刻均壓分析可知,單從絕緣柵雙極晶體管硬件上是無法消除自身的寄生參數差異的[8]。目前,傳統應對Ⅰ型三電平有源濾波器開關時刻不均壓的方法是通過系統短路或過流時驅動模塊報故障輸出,在主控制器的軟件中加入時序優先級,先關閉外管,再關閉內管。雖然這一方法能在理論上避免內、外管開關時刻的不均壓,但也存在一些弊端,主要是系統響應處理時間往往長于絕緣柵雙極晶體管的最長短路承受時間(10μs)[9-10]。

圖3 Ⅰ型三電平有源濾波器不均壓分析

針對傳統保護方法的缺點,筆者提出一種新的保護策略,忽略Ⅰ型三電平有源濾波器的關管順序。當檢測到故障時,無論是內管還是外管,馬上將對應的開關管關斷,發送故障信號至外圍保護電路和主控制器。外圍保護電路負責在最短時間內關斷外管,而其余開關管由主控制器關斷。例如,如果檢測到內管Ta2故障,那么馬上向內管Ta2發出關斷指令,而實際上內管Ta2并不會被關斷,因為有源鉗位功能將Ta2電壓鉗住,不會出現過壓。同時,故障信號發送至外圍保護電路,外圍保護電路收到故障信號后立即封閉對應的外管Ta1、Ta4脈沖。此時,內管Ta2退出線性區,自行關斷,剩余Ta3管通過主控制器信號關斷。

選用2SC0108T2芯片,搭建驅動電路。考慮到Ta1與Ta3脈沖的互補性,一個2SC0108T2芯片對應Ta1與Ta3,另一個2SC0108T2芯片對應Ta2與Ta4,所以單相只需兩個2SC0108T2芯片。以Ta1為例,其驅動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射極串聯瞬態電壓抑制二極管,反饋至驅動模塊ACL2管腳,瞬態電壓抑制二極管的數量與耐壓值根據系統母線電壓值及其波動來設置。故障響應時間Tax可以通過R3的電阻值R3與C1的電容值C1等來進行調節,關系式為[11]:

(1)

式中:UGLx為驅動電路輸出的關斷電壓絕對值,V。

圖4 有源鉗位驅動電路原理

以Ta1、Ta2為例,當系統發生短路或過流故障時,如果Ta1的輸出電容小于Ta2的輸出電容,那么此時驅動模塊先將Ta1關斷,Ta2也可以正常關斷。如果Ta1的輸出電容大于Ta2的輸出電容,那么按照驅動電路的設計,驅動模塊先將Ta2關斷,但是由于有源鉗位的作用,電路中集電極至發射極電壓超過了預設的閾值,Ta2被部分打開,從而令Ta2集電極至發射極電壓得到抑制,此時Ta2在線性區內工作。與此同時,驅動模塊將故障信號發送至外圍保護電路,及時關斷Ta1。Ta2則退出線性區,正常關斷。

外圍保護電路芯片接線如圖5所示。以A相為例,筆者采用與門芯片CD4082B對四個開關管的SO故障信號A_Q1_SO、A_Q2_SO、A_Q3_SO、A_Q4_SO進行采集并運算,只要有任何一個開關管故障,報出SO信號,與門芯片就能報出該相總故障信號,A_FAULT低電平有效,同時四個開關管的輸入端脈沖信號A_Q1_PWM、A_Q2_PWM、A_Q3_PWM、A_Q4_PWM都經過與門芯片,其中兩個外管信號A_Q1_PWM、A_Q4_PWM需要與該相總故障信號進行處理,內管則不需要處理。可見,這一外圍保護電路可以實現在某相短路或過流時,無論內管還是外管先關斷,都在納秒級別短時間內先將外管關斷,以保證內管能夠在絕緣柵雙極晶體管的最長短路承受時間10μs內安全關斷。

圖5 外圍保護電路芯片接線

6 仿真驗證

應用Tina-TI軟件進行仿真,主控對Ta1、Ta2、Ta3、Ta4輸入長于10μs的脈沖,模擬外管Ta1故障。立即關斷Ta1,用探頭監測Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的輸出波形、響應時間延遲及Ta1對應的SO1故障信號,如圖6所示。當檢測到Ta1故障時,驅動電路先封閉Ta1的輸出脈沖,延時300 ns后報出SO1故障。該故障信號傳送至外圍保護電路,外圍保護電路經過50 ns立即封閉Ta1和Ta4的驅動輸入脈沖。另一方面,主控制器接收到故障信號2μs后,關斷Ta2和Ta3。

同理,主控對Ta1、Ta2、Ta3、Ta4輸入長于10μs的脈沖,模擬內管Ta3故障。立即關斷Ta3,用探頭監測Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的輸出波形、響應時間延遲及Ta3對應的SO3故障信號,如圖7所示。當檢測到Ta3故障時,驅動電路先封閉Ta3的輸出脈沖,延時350 ns后報出SO3故障。

SO3故障信號傳送至外圍保護電路,外圍保護電路經過100 ns立即封閉Ta1和Ta4的驅動輸入脈沖。另一方面,主控制器接收到故障信號2μs后,關斷Ta2和Ta3。

由以上仿真結果可以看出,無論先關斷外管Ta1還是先關斷內管Ta3,筆者提出的保護策略都可以在納秒級別短時間內關斷兩外管驅動輸入脈沖,隨后由主控制器關斷兩內管輸入脈沖,整個過程不長于10μs,對絕緣柵雙極晶體管而言,是安全的。

圖6 外管Ta1故障仿真結果

圖7 內管Ta3故障仿真結果

7 試驗驗證

為了驗證筆者所提出的Ⅰ型三電平有源濾波器保護策略的正確性和可靠性,筆者在有源濾波器模塊平臺上進行驗證試驗。試驗時,設置母線電壓為800 V,電流為50 A,短路響應時間為4μs，Ⅰ型三電平有源濾波器選用F3L100R07W2E3型,驅動電路芯片選用2SC0108T2。試驗平臺如圖8所示,試驗電路如圖9所示。對正母線與交流輸出端施加65μH電感,對直流母線電壓半橋臂施加400 V電壓,對Ta3施加一個時長大約為10μs的單脈沖,延時2μs后對Ta4施加一個時長大約為10μs的單脈沖,模擬先關斷Ta3,分別觀察Ta3和Ta4門極電壓、輸出電壓及短路電流。

試驗結果如圖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 試驗平臺

圖9 試驗電路

圖10 試驗結果

系統短路故障時,對保護策略進行分析。所有絕緣柵雙極晶體管處于關斷狀態,Udc為400 V。導通Ta3,再導通Ta4,負載電流直線上升。關斷Ta3,正確的換流順序應該是先關斷Ta4,但此處模擬一個錯誤,先關斷Ta3。如果沒有所設計的有源鉗位驅動電路,負載電流會被D1、D2續流,Ta3會因承受整個母線電壓而損壞。此時Ta3輸出電壓出現尖峰,大約為600 V,然后被有源鉗位驅動電路鉗至530 V左右。負載電流仍然流過Ta3,Ta3實際上沒有被關斷,而是進入線性區,負載電感上仍有電壓,負載電流會繼續增大,但斜率變小。外圍保護電路立即關斷Ta4,內管Ta3隨后安全關斷,負載電流被切斷,故障狀態結束。

試驗結果表明,在短路時即使先關斷內管,外圍保護電路也能立即關斷外管,從而保證安全,驗證了設計的可靠性。

8 結束語

筆者對Ⅰ型三電平有源濾波器進行保護設計,充分利用Ⅰ型三電平有源濾波器在故障時不均壓的特點及開關管關斷特性,通過有源鉗位驅動電路將內管電壓限制在可靠電壓范圍內,再利用外圍保護電路實現外管的關斷功能,保證絕緣柵雙極晶體管在故障時安全關斷。通過軟件仿真與實物平臺試驗驗證,證明所提出的保護策略的正確性與有效性,對提高Ⅰ型三電平有源濾波器運行的可靠性具有實用價值。