摘要 首先介紹了IGBT-IPM 模塊的功能特點(diǎn)和基本情況。詳細(xì)探討了該模塊應(yīng)用于有源電力濾波器時(shí)，模塊外圍電路的設(shè)計(jì)要求和注意事項(xiàng),著重介紹了緩沖電路的設(shè)計(jì),并對(duì)使用過(guò)程中出現(xiàn)的故障波形做了簡(jiǎn)要分析。
關(guān)鍵字 IPM模塊；有源電力濾波器；緩沖電路
Application of IGBT-IPM Inbbbligent Module in Active Power Filter
REN Yuan, CHENG Hanxiang, LIU Yi
( Automation College, Guangdong University of Technology, Guangzhou Guangdong 510090,China)
Abstract The function characteristic and elementary state of IGBT-IPM Inbbbligent Module are introduced at first. Then the design demands of the IPM correlative periphery circuits and some problems that should be paid attention to when the inbbbligent module is applied in APF are discussed in details, especially the introduction of design of the snubber. Brief analysis of the IPMfault wavebbbbs appeared in the usage process is also done.
Keywords IGBT-IPMinbbbligent module;active power filter; snubber
0 引言
電力系統(tǒng)中的大功率電力電子裝置使用的開(kāi)關(guān)器件主要是晶閘管和GTO。隨著近年來(lái)電力電子器件的不斷發(fā)展，IGBT 已逐漸取代晶閘管和GTO 成為應(yīng)用的主流。它綜合了GTR和MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，具有輸入阻抗高、開(kāi)關(guān)速度快、熱穩(wěn)定性能好、耐高壓且承受大電流、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。而IGBT-IPM(Inbbbligent Power Module)智能功率模塊則是IGBT及其輔助器件與其保護(hù)和驅(qū)動(dòng)電路的封裝集成，對(duì)工作頻率較高的電路，可簡(jiǎn)化對(duì)保護(hù)和緩沖電路的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)還具有報(bào)警功能。用這種模塊做電源的功率器件，大大簡(jiǎn)化了硬件電路的設(shè)計(jì)，與過(guò)去的IGBT模塊和驅(qū)動(dòng)電路的組合電路相比，可靠性有很大提高。因此，利用IPM完善的控制功能和高可靠性，與微處理器相結(jié)合，可方便地構(gòu)成智能功率控制系統(tǒng)。譬如，靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置和有源電力濾波器等[1~3]。
1 IGBT-IPM的主要特點(diǎn)
本文主要介紹的是富士電機(jī)公司的R系列IPM智能功率模塊7MBP150RA120。它除了采用軟開(kāi)關(guān)，具有低浪涌，低噪聲的特性，容易滿(mǎn)足EMC 要求外，還具有如下一些功能。
(1)驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)置內(nèi)置了全部IGBT的驅(qū)動(dòng)電路，具有軟開(kāi)關(guān)控制、單電源驅(qū)動(dòng)無(wú)須反偏電源及防止誤導(dǎo)通的特點(diǎn)。
(2)內(nèi)置保護(hù)電路內(nèi)置全部IGBT的過(guò)流保護(hù)（OC），短路保護(hù)（SC），控制電源欠壓保護(hù)（UV），過(guò)熱保護(hù)（OH）。OC，SC保護(hù)能防止因過(guò)電流，負(fù)載短路導(dǎo)致IGBT 的損壞，OH 保護(hù)能防止IGBT，F(xiàn)WD 過(guò)熱。
(3)報(bào)警功能ALM為保護(hù)動(dòng)作時(shí)的報(bào)警輸出。當(dāng)IGBT集電極溫度Tc OH保護(hù)及下臂OC，SC，UV，Tj（IGBT 結(jié)溫)OH 等某一保護(hù)動(dòng)作時(shí)，便向IPM 的控制器發(fā)出報(bào)警（異常信號(hào)），隨之停止系統(tǒng)的工作。
(4)制動(dòng)功能內(nèi)置一個(gè)制動(dòng)用的IGBT及快恢復(fù)二極管，外接耗能電阻即可構(gòu)成制動(dòng)回路，用于消耗減速時(shí)的回饋能量，以抑制PN（直流側(cè)+- 極）間主電壓的高升。
模塊主要參數(shù)如表1所列[3]。
2 IPM模塊應(yīng)用于有源電力濾波器
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置容量日益擴(kuò)大，數(shù)量日益增多，使電網(wǎng)中的高次諧波愈來(lái)愈嚴(yán)重，給電力系統(tǒng)和各類(lèi)用電設(shè)備帶來(lái)危害。傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器由于其固有的局限性不能完全解決這些問(wèn)題。有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波，補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它可對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償[4]。富士電機(jī)生產(chǎn)的IPM 模塊7MBP150RA120 內(nèi)含7個(gè)IGBT，其中一個(gè)IGBT做制動(dòng)用，其余6個(gè)IGBT構(gòu)成3 相逆變電路。該模塊用于三相電路時(shí)，只需在主接線(xiàn)端接上電源及負(fù)載，并利用光電隔離電路和DSP 處理器向模塊提供控制電源及驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電路即可工作。
圖1 是將IPM 模塊用于有源電力濾波器的電路原理圖。DSP處理器根據(jù)實(shí)時(shí)采集的電流電壓信號(hào)，運(yùn)算產(chǎn)生PWM脈沖觸發(fā)信號(hào)，通過(guò)光電隔離電路送入IPM模塊，控制其通斷，實(shí)時(shí)跟蹤補(bǔ)償畸變電流。IPM模塊的主接線(xiàn)端P、N接有源電力濾波器直流側(cè)大電容C和緩沖吸收電路；U，V，W 為有源電力濾波器的交流側(cè)輸出端，通過(guò)連接電感并聯(lián)在電網(wǎng)上。各橋臂的控制信號(hào)及其控制電源通過(guò)IPM模塊的控制輸入端子排送到模塊中去。IPM 模塊的報(bào)警信號(hào)從ALM 端子送出，通過(guò)光電隔離驅(qū)動(dòng)電路反饋回DSP控制電路，控制器將停止發(fā)出PWM 控制信號(hào)，從而使整個(gè)裝置停止工作。圖1所示的電路原理圖包含以下幾個(gè)電路。
２.1 DSP 控制電路
該控制電路是由以ADMC401 高速數(shù)字信號(hào)處理芯片為核心的DSP控制系統(tǒng)組成，它具有極高的處理速度和專(zhuān)門(mén)的6路PWM波發(fā)生控制引腳,是整個(gè)裝置的控制核心。
２.2 光電隔離驅(qū)動(dòng)電路
由于IPM模塊已內(nèi)含驅(qū)動(dòng)電路, 因此只需要提供控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電源。IPM模塊對(duì)驅(qū)動(dòng)電源有以下一些要求。
1)由于IPM 模塊內(nèi)置驅(qū)動(dòng)電路，下臂側(cè)控制地GND 公用，僅需1 組驅(qū)動(dòng)電源，因此控制電源必須是上橋臂側(cè)3組獨(dú)立供電，下橋臂側(cè)1 組供電，總計(jì)4組15V獨(dú)立直流電源。
2)使用市售的電源組件時(shí)，電源輸出側(cè)的GND端子不要互連。這是因?yàn)镮PM模塊的下臂側(cè)GND與主電源GND已在IPM內(nèi)部連接，若在IPM 的外部再進(jìn)行連接，則下臂側(cè)公共地GND與IPM模塊主電源GND（即N端子）的外部連線(xiàn)將與其在模塊內(nèi)部的連線(xiàn)形成回路?；芈分锌赡芰鬟^(guò)的電流，將會(huì)對(duì)電子電路產(chǎn)生電磁干擾，從而可能影響整個(gè)裝置的可靠性。4組電源互相絕緣（輸入部分連接器及印刷電路板），且與主電源絕緣。
3)應(yīng)盡量減少各電源與地間的雜散電容。由于IPM 模塊直接和配電系統(tǒng)連接，因此，必須將IPM模塊和控制電路強(qiáng)弱電隔離開(kāi)來(lái)，以保護(hù)DSP 控制系統(tǒng)。通常有兩種隔離技術(shù),即用光電耦合器或用脈沖變壓器。由于光電耦合器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，因此被廣泛地用于控制信號(hào)的傳輸和電氣隔離。故這里也采用光電耦合器作為IPM 模塊的驅(qū)動(dòng)控制器件。由于IGBT是高速變換器件，因此要使用雜波耐受量大，信號(hào)傳遞延遲時(shí)間短的光耦合器。故本裝置采用的光電隔離器是TLP559。圖2中6路PWM 控制信號(hào)經(jīng)三極管放大后，再經(jīng)光電隔離器TLP559 送入IGBT-IPM 模塊的端子排。圖2中C4和C5為濾波電容，主要用來(lái)保持控制電壓平穩(wěn)和修正線(xiàn)路阻抗。20 kΩ電阻為控制信號(hào)端子的上拉電阻[5]。
2.3 緩沖電路
IPM緩沖電路主要用以抑制器件開(kāi)通時(shí)的過(guò)電流和關(guān)斷時(shí)的浪涌電壓。由于緩沖電路所需的電阻、電容的功率、體積都較大，所以在IGBT模塊內(nèi)部并沒(méi)有專(zhuān)門(mén)集成該部分電路。
[NextPage]
APF主電路采用IGBT 模塊組成逆變電路。由于IGBT的開(kāi)關(guān)速度很高（該型號(hào)最高可達(dá)20 kHz），IGBT關(guān)斷或FWD 反向恢復(fù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很高的di/dt, 因此模塊周邊的配線(xiàn)電感將引發(fā)L(di/dt)電壓（稱(chēng)為關(guān)斷浪涌電壓）。對(duì)于高頻電路多采用放電阻止型RCD緩沖電路或集中補(bǔ)償型RCD緩沖電路。這種電路對(duì)于關(guān)斷浪涌電壓有很好的抑制效果。反向二極管的選擇相當(dāng)重要，當(dāng)選擇錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)發(fā)生高的尖峰電壓，或者出現(xiàn)反向恢復(fù)電壓振蕩。另外，為了抑制器件開(kāi)通時(shí)的電流過(guò)沖，還須采用開(kāi)通緩沖電路[5]。
本文采用如圖3 所示的放電阻止型RCD緩沖電路連接圖。當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流經(jīng)緩沖二極管向緩沖電容器充電。由于電容器二端的電壓不能突變，故可有效地限制IGBT的關(guān)斷浪涌電壓。通過(guò)電容可把過(guò)電壓的電磁能量變成靜電能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，電阻則可防止電容與電感產(chǎn)生諧振。IGBT模塊周邊的配線(xiàn)電感在其開(kāi)通時(shí)儲(chǔ)存的能量, 這時(shí)都儲(chǔ)存在緩沖電容器中。當(dāng)IGBT 開(kāi)通時(shí), 配線(xiàn)電感可限制IGBT 集電極電流上升率di/dt, 同時(shí)也避免了集電極電壓和集電極電流同時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí), 緩沖電容器通過(guò)IPM 模塊主接線(xiàn)端PN 兩端的外接電阻器放電。其儲(chǔ)存的開(kāi)關(guān)能量也隨之在外接電阻器和電路、器件內(nèi)部的電阻器上耗散。
在設(shè)計(jì)緩沖電路時(shí)要注意以下事項(xiàng)：
1)進(jìn)行裝配時(shí)，要盡量降低主電路和緩沖電路的配線(xiàn)電感，配線(xiàn)越短越粗越好，以免產(chǎn)生尖峰電壓；
2)緩沖電容Cs應(yīng)采用低感高頻性能良好的薄膜電容，使其吸收高頻浪涌電壓；
3) 緩沖二極管Ds應(yīng)選用快開(kāi)通和快恢復(fù)二極管，以免關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生尖峰電壓，和其反向
恢復(fù)時(shí)引起的集電極與發(fā)射極間電壓急劇大幅度的振蕩;
4)緩沖電阻應(yīng)滿(mǎn)足在IGBT下一次關(guān)斷前將存儲(chǔ)在緩沖電容器中的電荷放掉。
綜合以上因素，下面對(duì)緩沖電容Cs、緩沖電阻Rs和緩沖二極管Ds的選擇作詳細(xì)的分析。
緩沖電容器的電容量由式(1)求出[3]。
[upload=jpg]UploadFile/2007-6/200762615295563997.jpg[/upload]
式中：L 為主電路的寄生電感，本文以1 滋H/m的估算結(jié)果作為計(jì)算值；
[NextPage]
I0為IGBT關(guān)斷時(shí)的集電極電流，計(jì)算時(shí)取IGBT的額定電流的兩倍2×150A；
Ed為直流電源電壓，取P-N間的短路保護(hù)時(shí)額定電壓800V；
VCEP為緩沖電容器電壓的最終到達(dá)值，取C-E間電壓的0.9倍，即0.9×1200 V（以上數(shù)據(jù)可參見(jiàn)表1）。
通過(guò)計(jì)算可得CS為1.15 滋F。由于寄生電感取的是估算值，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上確定1滋F/1200 VDC的高頻薄膜電容作為緩沖電容。
緩沖電阻Rs由式(2)求出[3]：
[upload=jpg]UploadFile/2007-6/200762615295674947.jpg[/upload]
式中：f為開(kāi)關(guān)頻率，取16.2 kHz作為計(jì)算值。
把緩沖電容值1滋F代入可得緩沖電阻Rs 最大值為26.84Ω。
緩沖電阻Rs發(fā)生的損耗P可以由式（3）求出[3]。
[upload=jpg]UploadFile/2007-6/200762615295627081.jpg[/upload]
因此本裝置選擇25Ω/250W 的電阻作為緩沖電阻。
緩沖二極管Ds 選擇富士電機(jī)生產(chǎn)的ERG28-12型二極管。
2.4 報(bào)警電路
IGBT-IPM 模塊把過(guò)流保護(hù)（OC），短路保護(hù)（SC），控制電源欠壓保護(hù)（UV），過(guò)熱保護(hù)（OH）內(nèi)置在模塊中，當(dāng)這些保護(hù)動(dòng)作時(shí)端子ALM 有報(bào)警信號(hào)輸出。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，主電路發(fā)生故障和報(bào)警通常都是IPM模塊工作的時(shí)候。因此，主電路的報(bào)警信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離器TLP559 后直接送入DSP 處理器ADMC401 的脈寬調(diào)制PWM禁止引腳，禁止控制信號(hào)輸出，使模塊停止工作以保護(hù)裝置。
3 故障分析及應(yīng)用中的注意事項(xiàng)
在使用IPM模塊的過(guò)程中，出現(xiàn)了模塊報(bào)警和空氣開(kāi)關(guān)跳閘的現(xiàn)象。均是因?yàn)镻N 間電壓超過(guò)了模塊的額定電壓，引起過(guò)流而產(chǎn)生的。
如圖4和圖5所示，當(dāng)負(fù)載電阻為70Ω 時(shí)，啟動(dòng)過(guò)程中報(bào)警。當(dāng)負(fù)載電阻變?yōu)?0Ω時(shí)，啟動(dòng)正常并能穩(wěn)定運(yùn)行。其原因就是負(fù)載電阻較小，系統(tǒng)電流較大造成模塊兩端電壓過(guò)高，而產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，從而模塊停止工作。適當(dāng)?shù)卦黾迂?fù)載電阻，使系統(tǒng)電流大小適中，整個(gè)裝置就能正常啟動(dòng)運(yùn)行。
由于IPM模塊內(nèi)含了保護(hù)電路和報(bào)警電路，因此避免了故障可能引起的整個(gè)裝置的損壞，并且有效地保護(hù)了模塊，提高了系統(tǒng)的可靠性和安全性。要注意的是由于IPM的保護(hù)電路僅針對(duì)非重復(fù)性異?，F(xiàn)象的保護(hù)，并能自動(dòng)復(fù)位，僅靠IPM的保護(hù)動(dòng)作是不能保護(hù)IPM和整個(gè)裝置的。在報(bào)警信號(hào)輸出后應(yīng)馬上停止IPM模塊的輸入信號(hào)，關(guān)閉機(jī)器。在排除故障后再啟動(dòng)裝置。
應(yīng)用模塊時(shí)還有以下注意事項(xiàng)：
[NextPage]
1)主電源電壓范圍對(duì)1200V系列是在900V以下,開(kāi)關(guān)時(shí)最大浪涌電壓是在1000 V以下;
2) 控制電源電壓Vcc 的范圍是13.5 ~16.5 V，以工作在15 V 左右為宜，并應(yīng)在Vcc 上電后再加主電源。
3)由于IPM大多工作在PWM信號(hào)控制的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，且電流較大，溫度上升較快,因此散熱器的設(shè)計(jì)務(wù)必有充足的裕量以保證結(jié)溫在最大結(jié)溫之內(nèi)。
4 結(jié)語(yǔ)
IGBT-IPM 模塊廣泛地應(yīng)用于大中型電力電子裝置及大功率電力變換等場(chǎng)合。本文以富士電機(jī)IPM模塊7MBP150RA120 的應(yīng)用為例，介紹了IGBT－IPM模塊的特點(diǎn)，外圍電路的設(shè)計(jì)和使用時(shí)的注意事項(xiàng)。使用這種智能模塊，有利于加快裝置的開(kāi)發(fā)研制，并能有效提高實(shí)際應(yīng)用裝置的可靠性。
作者簡(jiǎn)介：
任遠(yuǎn).(1982-),女,湖北人,現(xiàn)為廣東工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院在讀研究生,研究方向電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化.
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：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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