有源電力濾波器驅動保護電路的設計及仿真分析

趙 沖

（南陽技師學院，河南南陽）

有源電力濾波器（APF）是一種抑制諧波、補償無功的新型電力裝置，在降低線路損耗和減少電能浪費，以及延長電機設備使用壽命等方面發揮了重要作用，被廣泛應用于通信、電力、石化、汽車制造等領域。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）作為一種電壓驅動型器件，具有控制效果好、工作頻率高、對高次諧波補償效果好等特點，常用作有源電力濾波器的驅動器件。為了保證有源電力濾波器的穩定運行，必須要設計驅動保護電路，保證在設備運行過程中發生過電壓、過電流等異常工況時，能夠發揮相應的保護作用，避免停運事故的發生。

1 有源電力濾波器驅動保護電路的設計

1.1 過電壓保護

當IGBT 閉合時，線路中的感應電流突然增加，并在開關處產生浪涌電壓，隨即出現過電壓現象。在設計保護回路時，為了抑制過電壓可加入一個緩沖充放電（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IGBT 斷開時，外接電源經過二極管向電容充電；當IGBT 接通后，電容開始向外放電，并利用電阻進行調壓，保證電路中電流平穩，避免出現尖峰電流。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。設計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，不會出現瞬時大電流或瞬時高電壓情況，從而降低了損耗、保證了安全[1]。在設計RCD 吸收電路時，電阻的選擇是需要關注的重點，如果電阻偏小會導致回路調壓不平穩。電阻的計算公式為：

式中，f 表示開關頻率；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

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，如果發生短路問題后沒有采取有效的過電流保護措施，在電流熱效應的影響下電力器件會因為高溫而損壞，因此在有源電力濾波器的驅動保護電路設計中，需要加入IGBT 過電流保護。常用的過電流保護方式有2 種，一種是“硬關斷”，利用柵極驅動信號與集電極電壓相互影響的關系，在發生短路故障后，立即切斷柵極信號，同時關斷IGBT，使電路中集電極電壓為0，進而消除集電極電流，達到過電流保護效果。該方法雖然理論上可行，但是實際應用中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導致壓降過于明顯，造成IGBT 受損。另一種是“軟關斷”，在檢測到過電流信號后立即降低柵壓，但是IGBT 仍然保證導通，將過流時的電流維持在額定電流的1.5 倍左右，防止IGBT 發生鎖定損壞，并延長其短路承受時間。然后進一步判定是否過流，確定過流后把柵壓恢復正常；不存在過流后將柵極電壓軟關斷，使電壓逐步降低為0，實現對電流的封鎖[2]。

在過電流保護中，過電流的檢測與控制是兩個關鍵環節。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的關系，測量集電極壓降進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

本文采用延時過流保護達到“軟關斷”的效果，其原理是檢測到電路中存在過電流后，降低柵極驅動電壓，觀察在IGBT 導通情況下工作電壓是否恢復正常；如果電壓正常，說明故障電流消失；反之，則切斷柵極信號，實現延時保護。在延時過流保護電路中，核心裝置是EXB841 驅動芯片，最大驅動電壓可以達到150 V，最大驅動電流可以達到320 A，驅動電路的信號延遲為2.0 μs，采用嵌入式光耦合器，提高了過電流狀態下的電路保護效果。

1.3 過熱保護

IGBT 作為一種電力電子器件，在運行時不可避免地會出現一定損耗，主要表現為開關損耗、通態損耗。隨著IGBT 運行時間的增加，損耗相應上升，此時基板溫度也會呈現出線性增長趨勢[3]。由于IGBT 結構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，其關系如圖3 所示。

圖3 基板溫度與耗散功率、集電極電流的關系

結合圖3 可知，當基板溫度超過25 ℃時，集電極電流開始下降；當基板溫度超過75 ℃時，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，為此在設計有源電力濾波器驅動保護電路時，采取了過熱保護措施。比較簡單的方法是在電路中增加一個散熱裝置，例如小功率風扇或者散熱片，加快IGBT 基板的熱量散失，從而達到降溫目的；或者是加裝一個溫度傳感器，實時檢測IGBT 基板的溫度，當檢測值超過預設值時，切斷柵極驅動信號，也能起到過熱保護效果。

本文在設計過熱保護時，綜合采取了加裝散熱片與溫控元件控制柵極驅動信號的方式。當IGBT 正常運行時，溫控元件及其所在的回路導通，輸出一個低電平；當IGBT 基板的實際溫度超過預設溫度后，溫控開關動作，斷開電路，輸出一個高電平。此時散熱片的觸發器運行，散熱片開始工作，加快基板熱量的散失；當IGBT 基板的實際溫度重新恢復正常區間后，輸出一個低電平，散熱片停止工作。這樣既可以達到過熱保護效果，同時又能降低能耗[4]。

2 有源電力濾波器驅動保護電路的仿真

2.1 仿真環境

為了驗證有源電力濾波器驅動保護電路的應用效果，本文使用了基于Microsoft 操作系統的仿真軟件Multisim 14.0，根據有源電力濾波器驅動保護原理，設置激勵源信號和各項仿真參數，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動電路在正常運行時的驅動信號。各項參數設置如下：

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

（2） 仿真參數。仿真類型為時域暫態仿真，仿真時長為1 s，仿真步長為0.1 μs；

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

設定好上述參數后，開始運行仿真軟件，并獲得驅動信號的輸入和輸出波形，如圖5、圖6 所示。

圖5 驅動輸入信號

圖6 驅動輸出信號

結合圖5、圖6 可知，輸出驅動信號的最高值為+14,0 V，最低值為-4.5 V，該仿真參數與IGBT 柵極驅動電壓（開通+15 V、關斷-5 V）較為接近，說明該仿真結果能夠滿足IGBT 對驅動信號的要求。進一步分析認為，仿真結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，進而出現小幅度的下降導致的。另外，本次仿真實驗表明，仿真脈沖頻率為10 kHz，在高頻下表現良好；驅動輸出信號的波形較陡，說明驅動電路的響應速度較快，能夠很好地滿足電路保護需求。

2.3 瞬時過流故障仿真

使用Multisim 仿真軟件模擬有源電力濾波器驅動電路在IGBT 發生瞬時過電流時“軟關斷”保護動作情況，以及故障解決后的恢復情況。仿真電路同上，各項參數設置如下：

（1） 激勵源信號。5 kHz 方形波，上升時間為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。仿真類型為時域暫態仿真，仿真時長為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，在瞬時過電流故障發生后，延時1 μs 觸發保護動作，符合前文設計中“延時過流保護”的預期。整個“軟關斷”持續時間約為10 μs，在故障信號未徹底消失前，驅動電壓維持在0 V，在輸入信號觸發關斷后驅動電壓開始恢復正常。從電壓波形上開，不同于正常情況下的立即恢復，而是呈線性變化，從0 V 恢復至14.4 V 大約經歷了60 μs，最終瞬時過電流故障恢復后驅動電壓穩定為正常電壓的90%。隨著IGBT 重新進入正常運行狀態，電壓最終達到16 V，即恢復為正常電壓。

結束語

諧波是造成電氣設備負載加重、絕緣介質強度降低、使用壽命縮短的重要因素，給電力系統的穩定運行帶來了負面影響。為了抑制諧波，常采用有源電力濾波器，它能實現對電路中諧波的跟蹤補償，對維護電力系統的運行安全有積極幫助。為了保證有源電力濾波器的穩定運行，需要設計驅動保護電路?；贗GBT 的過電流保護、過電壓保護和過熱保護，能夠有效解決有源電力濾波器運行中常見的瞬時高電壓、瞬時大電流，以及基板過熱等問題帶來的負面影響，保證了有源電力濾波器在電力系統中更好地發揮濾波作用。