Ⅰ型三电平有源滤波器的保护设计

朱 沁

上海电气输配电集团技术中心 上海 200042

1 有源滤波器概述

在理想情况下,一般将三相电力系统看作一个线性系统,系统中电压、电流波形不会发生畸变。但是,伴随着各种非线性负载及电力电子装置的广泛使用,电力系统中电流的畸变严重,导致沿线其它设备的正常工作都受到影响。与此同时,随着电网规模的不断扩大和人民生活水平的不断提高,供电质量及供电安全性、有效性被人们逐步关注,用于电网谐波抑制与无功补偿的装置——有源滤波器应运而生[1]。

有源滤波器在主电路的拓扑中可以分为两类:二电平有源滤波器和多电平有源滤波器[2]。二电平有源滤波器虽然在拓扑结构、控制策略和实现方法方面都已经比较成熟,但是缺点也非常突出:① 在高开关频率与高电压工况下,会对电网产生大量谐波;② 功率器件开关条件要求高,并且会产生很大的功率损耗;③ 即使采用器件串联的方式,也会引起均压和电磁干扰等问题[3],不仅成本高,而且输出效率低。

针对二电平有源滤波器的缺点,技术人员研究了多电平技术。多电平技术中,三电平是最实用且应用最广泛的一种技术,其拓扑结构主要是Ⅰ型和T型[4]。

从结构复杂程度、损耗高低及控制的难易程度等方面考虑,Ⅰ型开关管在高频中的损耗比T型开关管低[5],结构与T型开关管相比则差别不大,但控制程序更复杂,要受到内、外管关断时序的影响。Ⅰ型三电平有源滤波器目前在市场中占有率高,因此笔者研究Ⅰ型三电平有源滤波器的内、外管不均压问题,对Ⅰ型三电平有源滤波器进行保护设计。

2 拓扑结构

Ⅰ型三电平有源滤波器拓扑结构如图1所示。C1、C2为有源滤波器直流侧电容,C1和C2串联构成母线电容,Ta1、Ta2、Ta3、Ta4等为带续流二极管的开关管,Udc为有源滤波器直流测电压,UaN、UbN、UcN为三相电压,Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1、Dc2为中点钳位二极管。三相每个桥臂上有四个开关管,每个开关管的开关状态组合对应不同的电平状态。

图1 Ⅰ型三电平有源滤波器拓扑结构

3 工作原理

以A相以例,简要分析Ⅰ型三电平有源滤波器的工作原理。输入端由两个相同的电容C1和C2组成串联形式,对直流侧进行分压。三种工作模式如图2所示[6]。

(1) 工作模式1。正半周期内Ta1动作,Ta3与Ta1状态对应互补。Ta2处于导通状态,Ta4处于关断状态。电流由有源滤波器流向电网时,由电容C1经过Ta1、Ta2向电网发电,此时A相输出电压UaN为Udc/2。同理,电流由电网流向有源滤波器时,A相电压UaN也为Udc/2。

(2) 工作模式0。Ta2、Ta3处于导通状态,Ta1、Ta4处于关断状态。电流由有源滤波器流向电网时,电流经过N点及Da1、Ta2向电网放电,此时A相输出电压UaN等于N点电压。同理,电流由电网流向有源滤波器时,A相电压UaN与N点电压相等。

(3) 工作模式-1。负半周期内,四个开关管的状态与正半周期相反,即Ta4动作,Ta2与Ta4状态对应互补。Ta3处于导通状态,Ta1处于关断状态。电流由有源滤波器流向电网时,由电容C2经过Ta3、Ta4反并联向电网放电,此时A相输出电压UaN等于-Udc/2。同理,电流由电网流向有源滤波器时,A相电压UaN也为-Udc/2。

图2 Ⅰ型三电平有源滤波器工作模式

由以上工作模式分析可以看出,在正半周期内,Ta1、Ta2导通时,Ta3、Ta4关断,Ta3、Ta4串联承受双边母线电压Udc;在负半周期内,Ta3、Ta4导通时,Ta1、Ta2关断,Ta1、Ta2串联承受双边母线电压Udc;每个开关管及钳位二极管关断时,承受的反向电压最大为半边母线电压Udc/2。

4 不均压分析

一般情况下,Ⅰ型三电平有源滤波器的四个开关管与两个二极管受到的耐压均相同,开关管的不均压主要表现在开机与关机时刻。不均压的根本原因是绝缘栅双极晶体管中每个开关管的生产线工艺、批次差异,导致寄生参数不同。开关管在关断后承受的电压主要取决于集电极与发射极输出电容的大小,输出电容越大,分到的电压越小,输出电容越小,分到的电压越大[7]。

如图3所示,分两种情况对Ⅰ型三电平有源滤波器进行不均压分析。当系统电流流出桥臂中点时,电感续流,D3、D4打开,桥臂中点电压与直流侧-BUS基本相等。当遇到短路或过流情况时,关断Ta1、Ta2,此时Ta1、Ta2的输出电容一起承受双边母线电压。当Ta1输出电容小于Ta2输出电容时,Ta1先进入退饱和区进行关断,通过D5将Ta1、Ta2的中点电压钳位在零电压,Ta2后关断,无风险。当Ta1输出电容大于Ta2输出电容时,Ta2先进入退饱和区进行关断,D5承受负电压,无法将Ta1、Ta2的中点电压钳位到零电压,导致Ta1、Ta2电压不均。极限情况下,Ta2关断时会承受双边母线电压,发生雪崩击穿,导致损坏。

当系统电流入桥臂中点时,电感续流,D1、D2打开,桥臂中点电压与直流侧+BUS基本相等。当遇到短路或过流情况时,关断Ta3、Ta4,此时Ta3、Ta4的输出电容一起承受双边母线电压。当Ta4输出电容小于Ta3输出电容时,Ta4先进入退饱和区进行关断,通过D6将Ta3、Ta4的中点电压钳位在零电压,Ta3后关断,无风险。当Ta4输出电容大于Ta3输出电容时,Ta3先进入退饱和区进行关断,D6承受负电压,无法将Ta3、Ta4的中点电压钳位到零电压,导致Ta3、Ta4电压不均。极限情况下,Ta3关断时会承受双边母线电压,发生雪崩击穿,导致损坏。

5 保护策略

由Ⅰ型三电平有源滤波器内、外管开关时刻均压分析可知,单从绝缘栅双极晶体管硬件上是无法消除自身的寄生参数差异的[8]。目前,传统应对Ⅰ型三电平有源滤波器开关时刻不均压的方法是通过系统短路或过流时驱动模块报故障输出,在主控制器的软件中加入时序优先级,先关闭外管,再关闭内管。虽然这一方法能在理论上避免内、外管开关时刻的不均压,但也存在一些弊端,主要是系统响应处理时间往往长于绝缘栅双极晶体管的最长短路承受时间(10μs)[9-10]。

图3 Ⅰ型三电平有源滤波器不均压分析

针对传统保护方法的缺点,笔者提出一种新的保护策略,忽略Ⅰ型三电平有源滤波器的关管顺序。当检测到故障时,无论是内管还是外管,马上将对应的开关管关断,发送故障信号至外围保护电路和主控制器。外围保护电路负责在最短时间内关断外管,而其余开关管由主控制器关断。例如,如果检测到内管Ta2故障,那么马上向内管Ta2发出关断指令,而实际上内管Ta2并不会被关断,因为有源钳位功能将Ta2电压钳住,不会出现过压。同时,故障信号发送至外围保护电路,外围保护电路收到故障信号后立即封闭对应的外管Ta1、Ta4脉冲。此时,内管Ta2退出线性区,自行关断,剩余Ta3管通过主控制器信号关断。

选用2SC0108T2芯片,搭建驱动电路。考虑到Ta1与Ta3脉冲的互补性,一个2SC0108T2芯片对应Ta1与Ta3,另一个2SC0108T2芯片对应Ta2与Ta4,所以单相只需两个2SC0108T2芯片。以Ta1为例,其驱动电路的有源钳位功能原理如图4所示。在绝缘栅双极晶体管集电极至发射极串联瞬态电压抑制二极管,反馈至驱动模块ACL2管脚,瞬态电压抑制二极管的数量与耐压值根据系统母线电压值及其波动来设置。故障响应时间Tax可以通过R3的电阻值R3与C1的电容值C1等来进行调节,关系式为[11]:

(1)

式中:UGLx为驱动电路输出的关断电压绝对值,V。

图4 有源钳位驱动电路原理

以Ta1、Ta2为例,当系统发生短路或过流故障时,如果Ta1的输出电容小于Ta2的输出电容,那么此时驱动模块先将Ta1关断,Ta2也可以正常关断。如果Ta1的输出电容大于Ta2的输出电容,那么按照驱动电路的设计,驱动模块先将Ta2关断,但是由于有源钳位的作用,电路中集电极至发射极电压超过了预设的阈值,Ta2被部分打开,从而令Ta2集电极至发射极电压得到抑制,此时Ta2在线性区内工作。与此同时,驱动模块将故障信号发送至外围保护电路,及时关断Ta1。Ta2则退出线性区,正常关断。

外围保护电路芯片接线如图5所示。以A相为例,笔者采用与门芯片CD4082B对四个开关管的SO故障信号A_Q1_SO、A_Q2_SO、A_Q3_SO、A_Q4_SO进行采集并运算,只要有任何一个开关管故障,报出SO信号,与门芯片就能报出该相总故障信号,A_FAULT低电平有效,同时四个开关管的输入端脉冲信号A_Q1_PWM、A_Q2_PWM、A_Q3_PWM、A_Q4_PWM都经过与门芯片,其中两个外管信号A_Q1_PWM、A_Q4_PWM需要与该相总故障信号进行处理,内管则不需要处理。可见,这一外围保护电路可以实现在某相短路或过流时,无论内管还是外管先关断,都在纳秒级别短时间内先将外管关断,以保证内管能够在绝缘栅双极晶体管的最长短路承受时间10μs内安全关断。

图5 外围保护电路芯片接线

6 仿真验证

应用Tina-TI软件进行仿真,主控对Ta1、Ta2、Ta3、Ta4输入长于10μs的脉冲,模拟外管Ta1故障。立即关断Ta1,用探头监测Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的输出波形、响应时间延迟及Ta1对应的SO1故障信号,如图6所示。当检测到Ta1故障时,驱动电路先封闭Ta1的输出脉冲,延时300 ns后报出SO1故障。该故障信号传送至外围保护电路,外围保护电路经过50 ns立即封闭Ta1和Ta4的驱动输入脉冲。另一方面,主控制器接收到故障信号2μs后,关断Ta2和Ta3。

同理,主控对Ta1、Ta2、Ta3、Ta4输入长于10μs的脉冲,模拟内管Ta3故障。立即关断Ta3,用探头监测Ta1、Ta2、Ta3、Ta4的输出波形、响应时间延迟及Ta3对应的SO3故障信号,如图7所示。当检测到Ta3故障时,驱动电路先封闭Ta3的输出脉冲,延时350 ns后报出SO3故障。

SO3故障信号传送至外围保护电路,外围保护电路经过100 ns立即封闭Ta1和Ta4的驱动输入脉冲。另一方面,主控制器接收到故障信号2μs后,关断Ta2和Ta3。

由以上仿真结果可以看出,无论先关断外管Ta1还是先关断内管Ta3,笔者提出的保护策略都可以在纳秒级别短时间内关断两外管驱动输入脉冲,随后由主控制器关断两内管输入脉冲,整个过程不长于10μs,对绝缘栅双极晶体管而言,是安全的。

图6 外管Ta1故障仿真结果

图7 内管Ta3故障仿真结果

7 试验验证

为了验证笔者所提出的Ⅰ型三电平有源滤波器保护策略的正确性和可靠性,笔者在有源滤波器模块平台上进行验证试验。试验时,设置母线电压为800 V,电流为50 A,短路响应时间为4μs，Ⅰ型三电平有源滤波器选用F3L100R07W2E3型,驱动电路芯片选用2SC0108T2。试验平台如图8所示,试验电路如图9所示。对正母线与交流输出端施加65μH电感,对直流母线电压半桥臂施加400 V电压,对Ta3施加一个时长大约为10μs的单脉冲,延时2μs后对Ta4施加一个时长大约为10μs的单脉冲,模拟先关断Ta3,分别观察Ta3和Ta4门极电压、输出电压及短路电流。

试验结果如图10所示,黄色为Ta3门极电压波形,绿色为Ta3输出电压波形,紫色为Ta4门极电压波形,红色为短路电流波形。

图8 试验平台

图9 试验电路

图10 试验结果

系统短路故障时,对保护策略进行分析。所有绝缘栅双极晶体管处于关断状态,Udc为400 V。导通Ta3,再导通Ta4,负载电流直线上升。关断Ta3,正确的换流顺序应该是先关断Ta4,但此处模拟一个错误,先关断Ta3。如果没有所设计的有源钳位驱动电路,负载电流会被D1、D2续流,Ta3会因承受整个母线电压而损坏。此时Ta3输出电压出现尖峰,大约为600 V,然后被有源钳位驱动电路钳至530 V左右。负载电流仍然流过Ta3,Ta3实际上没有被关断,而是进入线性区,负载电感上仍有电压,负载电流会继续增大,但斜率变小。外围保护电路立即关断Ta4,内管Ta3随后安全关断,负载电流被切断,故障状态结束。

试验结果表明,在短路时即使先关断内管,外围保护电路也能立即关断外管,从而保证安全,验证了设计的可靠性。

8 结束语

笔者对Ⅰ型三电平有源滤波器进行保护设计,充分利用Ⅰ型三电平有源滤波器在故障时不均压的特点及开关管关断特性,通过有源钳位驱动电路将内管电压限制在可靠电压范围内,再利用外围保护电路实现外管的关断功能,保证绝缘栅双极晶体管在故障时安全关断。通过软件仿真与实物平台试验验证,证明所提出的保护策略的正确性与有效性,对提高Ⅰ型三电平有源滤波器运行的可靠性具有实用价值。