模塊化有源濾波器

ANAPF有源電力濾波器

1、ANAPF產(chan) 品介紹

ANAPF 模塊工作原理

      ANAPF 係列有源電力濾波器並聯在含諧波負載的低壓配電係統中，能夠對動態變化的諧波電流進行快速實 時的跟蹤和補償(chang) 。其原理為(wei) ：ANAPF 係列有源電力濾波器通過 CT 采集係統諧波電流，經控製器快速計算並提取 各次諧波電流的含量，產(chan) 生諧波電流指令，通過功率執行器件產(chan) 生與(yu) 諧波電流幅值相等方向相反的補償(chang) 電流，並 注入電力係統中，從(cong) 而抵消非線性負載所產(chan) 生的諧波電流。

ANAPF 整機工作原理

      有源電力濾波器是一種用於(yu) 諧波治理、補償(chang) 無功以及不平衡調節的新型電力電子裝置；智能控製係統主動根據係 統的線性動態需求，自動調節模塊的輸出；ANAPF整機主要是由ANAPF模塊組成；能完成更大容量的諧波電流的補 償(chang) ，整機通過一個(ge) 7寸觸摸屏實現人機交互。觸摸屏通過RS485與(yu) ANAPF模塊進行通信。

產(chan) 品特點 

      1) 補償(chang) 方式靈活：既可補諧波，又可兼補無功，可對 2-51 次諧波進行全補償(chang) 或特定次諧波進行補償(chang) ； 

      2) 可治理三相不平衡； 

      3) 線性補償(chang) ，響應時間≤5ms； 

      4) 具有人性化的人機交互界麵，可通過該界麵看到係統和本體(ti) 的實時電能質量信息，操作簡單，可以遠控，也 可以本控； 

      5) 采用進口 IGBT，功率密度大，可靠性高； 

      6) 采用 DSP 高速檢測和運算的數字控製係統； 

      7) 監控以及顯示具備遠程通訊接口，可以通過 PC 機實時監控； 

      8) 標準模塊化設計，縮短交付周期，同時提高了使用的可靠性和可維護性。

2、外觀尺寸

3、技術參數

4、接線示意

5、諧波電流的估算

絕緣柵場效應晶體(ti) 管(IGBT)作為(wei) 一種複合型器件,集成了mosFET的電壓驅動和高開關(guan) 頻率及功率管低損耗、大功率的特點,在電機控製、開關(guan) 電源、變流裝置及許多要求快速、低損耗的領域中有著廣泛的應用。本文對應用於(yu) 有源電力濾波器的IGBT的特性及其專(zhuan) 有EXB84l型驅動器的設計進行討論,並提出一種具有完善保護功能的驅動電路。

　　有源電力濾波器設計中應用4個(ge) IGBT作為(wei) 開關(guan) ,並用4個(ge) EXB84l組成驅動電路,其原理如圖l所示。在實驗中,根據補償(chang) 電流與(yu) 指令電流的關(guan) 係,用數字信號處理器(DSP)控製PWM引腳的高低電平,並由驅動電路控製IGBT的通斷。驅動電路同時對過流故障進行監測,由DSP采取控製信號、停機等處理。

圖1 有源電力濾波器的IGBT驅動電路原理

1 驅動電路的設計

1.1 驅動電路電源

　　驅動電路需要4路相互隔離的直流電源為(wei) 4路IGBT驅動電路供電,用220V/22V變壓器對4路交流電源分別整流,用電容器和78L24型電壓調整器穩壓後輸出4路24V直流電壓,如圖2所示。

圖2 IGBT驅動電路的電源設計

1.2 柵極電壓

　　IGBT通常采用柵極電壓驅動,它對柵極驅動電路有著特殊的要求。柵極驅動電壓脈衝(chong) 的上升率和下降率要足夠大,導通時,前沿很陡的柵極電壓UGE可以使IGBT快速導通,並減小導通損耗,關(guan) 斷時,其柵極驅動電路要給IGBT提供一個(ge) 下降很陡的關(guan) 斷電壓,並在柵極和發射極之間施加一個(ge) 適當的反向負偏壓,以便使IGBT快速關(guan) 斷,並減小關(guan) 斷損耗。IGBT導通後,柵極的驅動電壓和電流要有足夠的寬度,以保證IGBT在瞬時過載時未退出飽和區受到損壞。柵極驅動電壓值為(wei) 15 V±1.5 V,這個(ge) 電壓值使IGBT*飽和導通,並使通態損耗減至小。施加關(guan) 斷負偏壓可以抑製C-E間出現du/dt時IGBT的誤導通,也可以減少關(guan) 斷損耗。

1.3 門極電阻R1

　　門極電阻R1的選取對通態電壓、開關(guan) 時間、開關(guan) 損耗及承受短路的能力都有不同程度的影響。當門極電阻增大時,IGBT的開通和關(guan) 斷時間增加,從(cong) 而使導通和關(guan) 斷損耗增加。當門極電阻減小時,則會(hui) 導致di/dt增加,從(cong) 而引起IGBT的誤導通。所以應根據IGBT的電流容量和電壓額定值以及開關(guan) 頻率的不同選擇R1的阻值。

　　Rl的值可以用下式計算：

　　IC為(wei) IGBT的集電極電流。如圖3所示,一般R1取十幾歐姆到幾十歐姆,R2為(wei) 30 Ω。由於(yu) IGBT是壓控器件,當集-射極間加高壓時,很容易受外界幹擾,而使柵-射極間電壓超過一定值,引起器件誤導通,為(wei) 了防止這種現象的發生,在柵-射極間並聯一電阻器R6可起到一定作用。一般R6阻值是R2阻值的l 000~5 000倍,而且應將它並聯在柵-射極近處。電路中的電容器Cl和C2用來抑製因電源接線阻抗引起的供電電壓變化,而不是用於(yu) 電源濾波。

1.4 EXB841驅動環節

　　筆者在實驗中采用的是EXB841型IGBT驅動模塊,其高運行頻率為(wei) 40 kHz,輸入信號經內(nei) 部光耦隔離,光隔驅動電流為(wei) 10 mA,大延時約為(wei) 1 μs。工作溫度範圍為(wei) -10℃~+85℃,供電電壓為(wei) +20 V～+25 V。筆者對EXB841功能進行了擴展,圖3為(wei) 驅動環節電路。

圖3 有源電力濾波器的IGBT驅動電路圖

　　EXB841的6引腳連接的二極管可檢測IGBT的飽和壓降,用來完成過流保護功能,4引腳的過流保護信號延時10μs輸出。當IGBT有過流時,若UCE大於(yu) 7.5V,內(nei) 部過流保護電路開始動作,軟關(guan) 斷IG-BT。通常在IGBT通過額定電流時UCE為(wei) 3.5 V,當UCE=7.5 V時,IGBT有過流,其值約為(wei) 額定電流的3~5倍,但是由於(yu) 沒有達到保護的閾值,保護電路不起作用。如果長時間工作在這種狀態,則會(hui) 導致IGBT損壞。為(wei) 了可靠地保護IGBT,應該降低過流保護閾值,可以在D1與(yu) IGBT的集電極間反串一個(ge) 穩壓管,或多串幾個(ge) 與(yu) D1同規格的快速恢複二極管。如圖3通過反串一個(ge) IN4728型3.3 V穩壓管使保護閾值降為(wei) 4.2V。當檢測到IGBT過流後,5引腳變為(wei) 低電平,TPL521型光耦輸出低電平,通過與(yu) 門控製信號輸入,同時使4輸入與(yu) 非門輸出低電平,觸發功率驅動保護中斷,完成相應的保護處理。

1.5 控製部分與(yu) 驅動部分的隔離

　　控製電路為(wei) 弱電部分,極易受到幹擾;驅動電路直接與(yu) 外電路連接,是一個(ge) 較強的幹擾源;為(wei) 了實現整個(ge) 設備的電磁兼容,控製電路部分必須與(yu) 驅動部分隔離。為(wei) 了避免公共電源對控製電路產(chan) 生幹擾,應對控製電路及驅動電路分別供電,EXB84l的電源電壓為(wei) +20 V,一般控製電路的供電電壓為(wei) 5 V,因此,可以利用圖4所示的DC-DC微功率模塊進行電源隔離,采用A2405D型微功率模塊實現電源的隔離。

2 IGBT及驅動電路的保護

2.1 IGBT的過電壓保護

　　IGBT集-射極之間的瞬時過壓會(hui) 對IGBT造成損壞,筆者采用箝位式吸收電路對瞬時過電壓進行抑製。當IGBT導通時,由於(yu) 二極管的作用,電容器的電荷不會(hui) 被放掉,電容器電壓仍為(wei) 電源電壓。IGBT關(guan) 斷時,負載電流仍流過IGBT,直到IGBT集-射極之間電壓達到電源電壓,續流二極管導通。應用該電路,可以使雜散電感中的能量通過二極管轉儲(chu) 到吸收電容器中,而IGBT的集電極電位被箝位在電容電壓上,這樣就可以抑製IGBT集電極的尖峰電壓。吸收電容器的容值可以按公式(2)選取：

　　式中,L是引線電感;i是IGBT關(guan) 斷時的電流;△U是吸收電容器上的電壓過衝(chong) 。

　　當吸收回路中的電容器電壓高於(yu) 直流側(ce) 電容器上的電壓時,通過電阻器向直流側(ce) 電容器回送能量,一直到與(yu) 直流側(ce) 電容器的電壓相等。當IGBT關(guan) 斷時,線路電感在集電極和發射極二端產(chan) 生很高的尖峰電壓,加上箝位式吸收電路以後,UCE被箝位在電容器電壓上,當UCE高於(yu) 電容器電壓時,線路電感的能量被轉移到吸收電容器上,當尖峰電壓過去以後,吸收電容高於(yu) 主電容的那部分電壓會(hui) 由於(yu) 能量回進而達到與(yu) 主電容相等。這樣就抑製了集-射極間的尖峰電壓。吸收電容越大,吸收效果越好。由於(yu) 吸收電容器上過衝(chong) 的能量大部分被送回到直流側(ce) 電容,所以減小了電阻器的功耗。

2.2 消除IGBT集-柵極之間的du/dt

　　圖5所示為(wei) EXB841與(yu) IGBT柵-射極之間的連接電路原理圖。當驅動電路中的V4導通時,IGBT處於(yu) 正常導通狀態,當V5導通時,IGBT柵-射極之間通過穩壓管VZ2提供一個(ge) -5V電壓加在其兩(liang) 端,使IGBT關(guan) 斷,此時V5處於(yu) 臨(lin) 界導通狀態,穩壓管VZ2處於(yu) 反向偏置狀態。但由於(yu) 集-柵極之間分布電容的影響,集-柵極之間的du/dt增大時,其通過分布電容形成的電流經過,所以,要克服集-柵極之間的du/dt,確保穩壓管不過壓,避免IGBT誤導通。克服du/dt的方法有二種：一是驅動電路輸出與(yu) IGBT柵-射極之間的連線采用雙絞屏蔽電纜,屏蔽層接地,二是采用快速吸收電路吸收過電壓。

2.3 EXB841的過流保護功能擴展

　　EXB841自身具有過流保護功能,其保護原理是利用IGBT的集電極通態飽和壓降與(yu) 集電極電流呈近似線性關(guan) 係。當IGBT工作在正常狀態時,EXB841的6腳電位箝製在8 V,內(nei) 部保護不動作,當IGBT因承受過流而退出飽和狀態時,IGBT集-射極間的電壓上升很多,與(yu) EXB84l的6引腳相連的快速二極管截止,EXB841的6引腳被懸空,內(nei) 部保護動作,輸出驅動電壓慢慢下降,實現IGBT的軟關(guan) 斷。

　　在實際應用中,僅(jin) 靠EXB841的6引腳檢測IG-BT集電極電壓來實現過流保護並不足以有效地保護IGBT,因此有必要在主電路中加接霍爾電流傳(chuan) 感器來檢測電路中的過流,如圖6所示。過流發生後,檢測電路檢測到電流,延時8μs後信號還存在的話。驅動信號以關(guan) 斷IGBT。在圖中,霍爾電流傳(chuan) 感器如果在主電路中檢測到過流信號,其中的PNP三極管將導通,同時,NPN三極管被截止,EXB841的6腳被懸空;當沒有過流信號時,PNP三極管不導通,NPN三極管導通,此時電路等效於(yu) 擴展前的電路。

3 結束語

　　本設計應用以上電路對IGBT進行驅動和保護。此驅動電路是在典型驅動電路的基礎上進行改進和完善的,並且自行設計了隔離部分和過電流保護擴展部分。此驅動電路相對簡單、實用,對被驅動的IGBT有完善的保護能力,輸出阻抗低,具有較強的抗幹擾性能。

　　應用這種IGBT模塊的有源濾波器的樣機通過試驗,證明硬件能夠協調配合,控製效果穩定、精確,並且已經批量製板。