有源电力滤波器驱动保护电路的设计及仿真分析

赵 冲

（南阳技师学院，河南南阳）

有源电力滤波器（APF）是一种抑制谐波、补偿无功的新型电力装置，在降低线路损耗和减少电能浪费，以及延长电机设备使用寿命等方面发挥了重要作用，被广泛应用于通信、电力、石化、汽车制造等领域。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为一种电压驱动型器件，具有控制效果好、工作频率高、对高次谐波补偿效果好等特点，常用作有源电力滤波器的驱动器件。为了保证有源电力滤波器的稳定运行，必须要设计驱动保护电路，保证在设备运行过程中发生过电压、过电流等异常工况时，能够发挥相应的保护作用，避免停运事故的发生。

1 有源电力滤波器驱动保护电路的设计

1.1 过电压保护

当IGBT 闭合时，线路中的感应电流突然增加，并在开关处产生浪涌电压，随即出现过电压现象。在设计保护回路时，为了抑制过电压可加入一个缓冲充放电（RCD）吸收电路，电路图如图1 所示。

图1 中，D 表示二极管；C 表示电容；R 表示电阻；VD 表示三极管。当IGBT 断开时，外接电源经过二极管向电容充电；当IGBT 接通后，电容开始向外放电，并利用电阻进行调压，保证电路中电流平稳，避免出现尖峰电流。这样一来，IGBT 每完成一次通断，电路中的电容就同步完成一次充放电。设计RCD 吸收电路抑制过电压，能够保证电压和电流的增加与降低都趋于平缓，不会出现瞬时大电流或瞬时高电压情况，从而降低了损耗、保证了安全[1]。在设计RCD 吸收电路时，电阻的选择是需要关注的重点，如果电阻偏小会导致回路调压不平稳。电阻的计算公式为：

式中，f 表示开关频率；C 表示电容，可通过下式求得：

式中，L 表示主电路的分布电感；I 表示集电极电流；V 表示RCD 吸收回路电压最大值；U 表示直流电压。

1.2 过电流保护

IGBT 的过载能力有限，通常情况下只能承受1～100 μs 的短路电流，如果发生短路问题后没有采取有效的过电流保护措施，在电流热效应的影响下电力器件会因为高温而损坏，因此在有源电力滤波器的驱动保护电路设计中，需要加入IGBT 过电流保护。常用的过电流保护方式有2 种，一种是“硬关断”，利用栅极驱动信号与集电极电压相互影响的关系，在发生短路故障后，立即切断栅极信号，同时关断IGBT，使电路中集电极电压为0，进而消除集电极电流，达到过电流保护效果。该方法虽然理论上可行，但是实际应用中IGBT 的短路电流是额定电流的几倍甚至十几倍，直接切断栅极信号可能会导致压降过于明显，造成IGBT 受损。另一种是“软关断”，在检测到过电流信号后立即降低栅压，但是IGBT 仍然保证导通，将过流时的电流维持在额定电流的1.5 倍左右，防止IGBT 发生锁定损坏，并延长其短路承受时间。然后进一步判定是否过流，确定过流后把栅压恢复正常；不存在过流后将栅极电压软关断，使电压逐步降低为0，实现对电流的封锁[2]。

在过电流保护中，过电流的检测与控制是两个关键环节。其中，过电流检测采用“集电极电压识别法”，其原理是利用集电极压降与集电极电流成正相关的关系，测量集电极压降进而判断集电极电流的大小。检测电路如图2 所示。

图2 过电流检测电路

本文采用延时过流保护达到“软关断”的效果，其原理是检测到电路中存在过电流后，降低栅极驱动电压，观察在IGBT 导通情况下工作电压是否恢复正常；如果电压正常，说明故障电流消失；反之，则切断栅极信号，实现延时保护。在延时过流保护电路中，核心装置是EXB841 驱动芯片，最大驱动电压可以达到150 V，最大驱动电流可以达到320 A，驱动电路的信号延迟为2.0 μs，采用嵌入式光耦合器，提高了过电流状态下的电路保护效果。

1.3 过热保护

IGBT 作为一种电力电子器件，在运行时不可避免地会出现一定损耗，主要表现为开关损耗、通态损耗。随着IGBT 运行时间的增加，损耗相应上升，此时基板温度也会呈现出线性增长趋势[3]。由于IGBT 结构特性和工作原理的影响，基本温度越高，耗散功率和集电极电流越小，其关系如图3 所示。

图3 基板温度与耗散功率、集电极电流的关系

结合图3 可知，当基板温度超过25 ℃时，集电极电流开始下降；当基板温度超过75 ℃时，耗散功率开始下降。因此，必须要对IGBT 基板的温度采取控制措施，为此在设计有源电力滤波器驱动保护电路时，采取了过热保护措施。比较简单的方法是在电路中增加一个散热装置，例如小功率风扇或者散热片，加快IGBT 基板的热量散失，从而达到降温目的；或者是加装一个温度传感器，实时检测IGBT 基板的温度，当检测值超过预设值时，切断栅极驱动信号，也能起到过热保护效果。

本文在设计过热保护时，综合采取了加装散热片与温控元件控制栅极驱动信号的方式。当IGBT 正常运行时，温控元件及其所在的回路导通，输出一个低电平；当IGBT 基板的实际温度超过预设温度后，温控开关动作，断开电路，输出一个高电平。此时散热片的触发器运行，散热片开始工作，加快基板热量的散失；当IGBT 基板的实际温度重新恢复正常区间后，输出一个低电平，散热片停止工作。这样既可以达到过热保护效果，同时又能降低能耗[4]。

2 有源电力滤波器驱动保护电路的仿真

2.1 仿真环境

为了验证有源电力滤波器驱动保护电路的应用效果，本文使用了基于Microsoft 操作系统的仿真软件Multisim 14.0，根据有源电力滤波器驱动保护原理，设置激励源信号和各项仿真参数，仿真流程如图4 所示。

图4 仿真流程

2.2 正常工作仿真

使用Multisim 仿真软件模拟有源电力滤波器驱动电路在正常运行时的驱动信号。各项参数设置如下：

（1） 激励源信号。10 kHz 方形波，占空比为50%，上升时间10 s，最大值（V1）为10 V，最小值（V2）为-10 V；

（2） 仿真参数。仿真类型为时域暂态仿真，仿真时长为1 s，仿真步长为0.1 μs；

（3） 输入输出信号。将一台示波器与信号发生器连接，采集输入波形。将另一台示波器与IGBT 栅极和射极连接，采集IGBT 栅极、射极电压波形[5]。

设定好上述参数后，开始运行仿真软件，并获得驱动信号的输入和输出波形，如图5、图6 所示。

图5 驱动输入信号

图6 驱动输出信号

结合图5、图6 可知，输出驱动信号的最高值为+14,0 V，最低值为-4.5 V，该仿真参数与IGBT 栅极驱动电压（开通+15 V、关断-5 V）较为接近，说明该仿真结果能够满足IGBT 对驱动信号的要求。进一步分析认为，仿真结果与理论值之间存在差异的原因，是电路中三极管等电子器件存在一定电阻，进而出现小幅度的下降导致的。另外，本次仿真实验表明，仿真脉冲频率为10 kHz，在高频下表现良好；驱动输出信号的波形较陡，说明驱动电路的响应速度较快，能够很好地满足电路保护需求。

2.3 瞬时过流故障仿真

使用Multisim 仿真软件模拟有源电力滤波器驱动电路在IGBT 发生瞬时过电流时“软关断”保护动作情况，以及故障解决后的恢复情况。仿真电路同上，各项参数设置如下：

（1） 激励源信号。5 kHz 方形波，上升时间为2 s，占空比为80%，最大值（V1）为20 V，最小值（V2）为0 V；

（2） 故障源信号。8 kHz 方形波，上升时间为10 s，占空比为80%，最大值（V1）为16 V，最小值（V2）为8 V；

（3） 仿真参数。仿真类型为时域暂态仿真，仿真时长为1 s，仿真步长为0.1 μs；

（4） 输入输出信号。将1#示波器与信号发生器连接，采集输入波形。将2#示波器连接到故障输入信号发生器上，采集故障输入信号波形。将3#示波器分别连接在IGBT 栅极、射极上，采集电压波形。

观察仿真波形可得，在瞬时过电流故障发生后，延时1 μs 触发保护动作，符合前文设计中“延时过流保护”的预期。整个“软关断”持续时间约为10 μs，在故障信号未彻底消失前，驱动电压维持在0 V，在输入信号触发关断后驱动电压开始恢复正常。从电压波形上开，不同于正常情况下的立即恢复，而是呈线性变化，从0 V 恢复至14.4 V 大约经历了60 μs，最终瞬时过电流故障恢复后驱动电压稳定为正常电压的90%。随着IGBT 重新进入正常运行状态，电压最终达到16 V，即恢复为正常电压。

结束语

谐波是造成电气设备负载加重、绝缘介质强度降低、使用寿命缩短的重要因素，给电力系统的稳定运行带来了负面影响。为了抑制谐波，常采用有源电力滤波器，它能实现对电路中谐波的跟踪补偿，对维护电力系统的运行安全有积极帮助。为了保证有源电力滤波器的稳定运行，需要设计驱动保护电路。基于IGBT 的过电流保护、过电压保护和过热保护，能够有效解决有源电力滤波器运行中常见的瞬时高电压、瞬时大电流，以及基板过热等问题带来的负面影响，保证了有源电力滤波器在电力系统中更好地发挥滤波作用。