摘要 首先介紹了IGBT-IPM 模塊的功能特點和基本情況。詳細探討了該模塊應用于有源電力濾波器時，模塊外圍電路的設計要求和注意事項,著重介紹了緩沖電路的設計,并對使用過程中出現的故障波形做了簡要分析。
關鍵字 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
電力系統中的大功率電力電子裝置使用的開關器件主要是晶閘管和GTO。隨著近年來電力電子器件的不斷發展，IGBT 已逐漸取代晶閘管和GTO 成為應用的主流。它綜合了GTR和MOSFET的優點，具有輸入阻抗高、開關速度快、熱穩定性能好、耐高壓且承受大電流、驅動電路簡單等優點。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和驅動電路的封裝集成，對工作頻率較高的電路，可簡化對保護和緩沖電路的設計要求，同時還具有報警功能。用這種模塊做電源的功率器件，大大簡化了硬件電路的設計，與過去的IGBT模塊和驅動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，與微處理器相結合，可方便地構成智能功率控制系統。譬如，靜止無功補償裝置和有源電力濾波器等[1~3]。
1 IGBT-IPM的主要特點
本文主要介紹的是富士電機公司的R系列IPM智能功率模塊7MBP150RA120。它除了采用軟開關，具有低浪涌，低噪聲的特性，容易滿足EMC 要求外，還具有如下一些功能。
(1)驅動電路內置內置了全部IGBT的驅動電路，具有軟開關控制、單電源驅動無須反偏電源及防止誤導通的特點。
(2)內置保護電路內置全部IGBT的過流保護（OC），短路保護（SC），控制電源欠壓保護（UV），過熱保護（OH）。OC，SC保護能防止因過電流，負載短路導致IGBT 的損壞，OH 保護能防止IGBT，FWD 過熱。
(3)報警功能ALM為保護動作時的報警輸出。當IGBT集電極溫度Tc OH保護及下臂OC，SC，UV，Tj（IGBT 結溫)OH 等某一保護動作時，便向IPM 的控制器發出報警（異常信號），隨之停止系統的工作。
(4)制動功能內置一個制動用的IGBT及快恢復二極管，外接耗能電阻即可構成制動回路，用于消耗減速時的回饋能量，以抑制PN（直流側+- 極）間主電壓的高升。
模塊主要參數如表1所列[3]。
2 IPM模塊應用于有源電力濾波器
隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置容量日益擴大，數量日益增多，使電網中的高次諧波愈來愈嚴重，給電力系統和各類用電設備帶來危害。傳統的無源濾波器由于其固有的局限性不能完全解決這些問題。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波，補償無功的新型電力電子裝置，它可對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償[4]。富士電機生產的IPM 模塊7MBP150RA120 內含7個IGBT，其中一個IGBT做制動用，其余6個IGBT構成3 相逆變電路。該模塊用于三相電路時，只需在主接線端接上電源及負載，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動信號，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處理器根據實時采集的電流電壓信號，運算產生PWM脈沖觸發信號，通過光電隔離電路送入IPM模塊，控制其通斷，實時跟蹤補償畸變電流。IPM模塊的主接線端P、N接有源電力濾波器直流側大電容C和緩沖吸收電路；U，V，W 為有源電力濾波器的交流側輸出端，通過連接電感并聯在電網上。各橋臂的控制信號及其控制電源通過IPM模塊的控制輸入端子排送到模塊中去。IPM 模塊的報警信號從ALM 端子送出，通過光電隔離驅動電路反饋回DSP控制電路，控制器將停止發出PWM 控制信號，從而使整個裝置停止工作。圖1所示的電路原理圖包含以下幾個電路。
２.1 DSP 控制電路
該控制電路是由以ADMC401 高速數字信號處理芯片為核心的DSP控制系統組成，它具有極高的處理速度和專門的6路PWM波發生控制引腳,是整個裝置的控制核心。
２.2 光電隔離驅動電路
由于IPM模塊已內含驅動電路, 因此只需要提供控制信號和驅動電源。IPM模塊對驅動電源有以下一些要求。
1)由于IPM 模塊內置驅動電路，下臂側控制地GND 公用，僅需1 組驅動電源，因此控制電源必須是上橋臂側3組獨立供電，下橋臂側1 組供電，總計4組15V獨立直流電源。
2)使用市售的電源組件時，電源輸出側的GND端子不要互連。這是因為IPM模塊的下臂側GND與主電源GND已在IPM內部連接，若在IPM 的外部再進行連接，則下臂側公共地GND與IPM模塊主電源GND（即N端子）的外部連線將與其在模塊內部的連線形成回路。回路中可能流過的電流，將會對電子電路產生電磁干擾，從而可能影響整個裝置的可靠性。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連接，因此，必須將IPM模塊和控制電路強弱電隔離開來，以保護DSP 控制系統。通常有兩種隔離技術,即用光電耦合器或用脈沖變壓器。由于光電耦合器結構簡單，使用方便，因此被廣泛地用于控制信號的傳輸和電氣隔離。故這里也采用光電耦合器作為IPM 模塊的驅動控制器件。由于IGBT是高速變換器件，因此要使用雜波耐受量大，信號傳遞延遲時間短的光耦合器。故本裝置采用的光電隔離器是TLP559。圖2中6路PWM 控制信號經三極管放大后，再經光電隔離器TLP559 送入IGBT-IPM 模塊的端子排。圖2中C4和C5為濾波電容，主要用來保持控制電壓平穩和修正線路阻抗。20 kΩ電阻為控制信號端子的上拉電阻[5]。
2.3 緩沖電路
IPM緩沖電路主要用以抑制器件開通時的過電流和關斷時的浪涌電壓。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模塊內部并沒有專門集成該部分電路。
[NextPage]
APF主電路采用IGBT 模塊組成逆變電路。由于IGBT的開關速度很高（該型號最高可達20 kHz），IGBT關斷或FWD 反向恢復時會產生很高的di/dt, 因此模塊周邊的配線電感將引發L(di/dt)電壓（稱為關斷浪涌電壓）。對于高頻電路多采用放電阻止型RCD緩沖電路或集中補償型RCD緩沖電路。這種電路對于關斷浪涌電壓有很好的抑制效果。反向二極管的選擇相當重要，當選擇錯誤時，會發生高的尖峰電壓，或者出現反向恢復電壓振蕩。另外，為了抑制器件開通時的電流過沖，還須采用開通緩沖電路[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IGBT關斷時，負載電流經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的關斷浪涌電壓。通過電容可把過電壓的電磁能量變成靜電能量儲存起來，電阻則可防止電容與電感產生諧振。IGBT模塊周邊的配線電感在其開通時儲存的能量, 這時都儲存在緩沖電容器中。當IGBT 開通時, 配線電感可限制IGBT 集電極電流上升率di/dt, 同時也避免了集電極電壓和集電極電流同時達到最大值。此時, 緩沖電容器通過IPM 模塊主接線端PN 兩端的外接電阻器放電。其儲存的開關能量也隨之在外接電阻器和電路、器件內部的電阻器上耗散。
在設計緩沖電路時要注意以下事項：
1)進行裝配時，要盡量降低主電路和緩沖電路的配線電感，配線越短越粗越好，以免產生尖峰電壓；
2)緩沖電容Cs應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應選用快開通和快恢復二極管，以免關斷時產生尖峰電壓，和其反向
恢復時引起的集電極與發射極間電壓急劇大幅度的振蕩;
4)緩沖電阻應滿足在IGBT下一次關斷前將存儲在緩沖電容器中的電荷放掉。
綜合以上因素，下面對緩沖電容Cs、緩沖電阻Rs和緩沖二極管Ds的選擇作詳細的分析。
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的估算結果作為計算值；
[NextPage]
I0為IGBT關斷時的集電極電流，計算時取IGBT的額定電流的兩倍2×150A；
Ed為直流電源電壓，取P-N間的短路保護時額定電壓800V；
VCEP為緩沖電容器電壓的最終到達值，取C-E間電壓的0.9倍，即0.9×1200 V（以上數據可參見表1）。
通過計算可得CS為1.15 滋F。由于寄生電感取的是估算值，在實驗基礎上確定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為開關頻率，取16.2 kHz作為計算值。
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 選擇富士電機生產的ERG28-12型二極管。
2.4 報警電路
IGBT-IPM 模塊把過流保護（OC），短路保護（SC），控制電源欠壓保護（UV），過熱保護（OH）內置在模塊中，當這些保護動作時端子ALM 有報警信號輸出。而在實驗過程中，主電路發生故障和報警通常都是IPM模塊工作的時候。因此，主電路的報警信號經過光電隔離器TLP559 后直接送入DSP 處理器ADMC401 的脈寬調制PWM禁止引腳，禁止控制信號輸出，使模塊停止工作以保護裝置。
3 故障分析及應用中的注意事項
在使用IPM模塊的過程中，出現了模塊報警和空氣開關跳閘的現象。均是因為PN 間電壓超過了模塊的額定電壓，引起過流而產生的。
如圖4和圖5所示，當負載電阻為70Ω 時，啟動過程中報警。當負載電阻變為90Ω時，啟動正常并能穩定運行。其原因就是負載電阻較小，系統電流較大造成模塊兩端電壓過高，而產生報警信號，從而模塊停止工作。適當地增加負載電阻，使系統電流大小適中，整個裝置就能正常啟動運行。
由于IPM模塊內含了保護電路和報警電路，因此避免了故障可能引起的整個裝置的損壞，并且有效地保護了模塊，提高了系統的可靠性和安全性。要注意的是由于IPM的保護電路僅針對非重復性異常現象的保護，并能自動復位，僅靠IPM的保護動作是不能保護IPM和整個裝置的。在報警信號輸出后應馬上停止IPM模塊的輸入信號，關閉機器。在排除故障后再啟動裝置。
應用模塊時還有以下注意事項：
[NextPage]
1)主電源電壓范圍對1200V系列是在900V以下,開關時最大浪涌電壓是在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，并應在Vcc 上電后再加主電源。
3)由于IPM大多工作在PWM信號控制的高頻開關狀態，且電流較大，溫度上升較快,因此散熱器的設計務必有充足的裕量以保證結溫在最大結溫之內。
4 結語
IGBT-IPM 模塊廣泛地應用于大中型電力電子裝置及大功率電力變換等場合。本文以富士電機IPM模塊7MBP150RA120 的應用為例，介紹了IGBT－IPM模塊的特點，外圍電路的設計和使用時的注意事項。使用這種智能模塊，有利于加快裝置的開發研制，并能有效提高實際應用裝置的可靠性。
作者簡介：
任遠.(1982-),女,湖北人,現為廣東工業大學自動化學院在讀研究生,研究方向電力系統綜合自動化.
參考文獻：
[1] 王兆安,黃俊.電力電子技術(第4 版).[M]北京：機械工業出版社,2001：29-33.
[2] 李序葆,趙永健.電力電子器件及其應用(第1 版)[M].北京：機械工業出版社,1998：350-394.
[3] 7MBP150RA120, IGBT-IPMR series[Z]. Fuji Electric,2000.
[4] 王兆安,楊君.諧波抑制和無功功率補償(第2 版)[M].北京:機械工業出版社,2005：257-297.
[5] 鄂飛.電壓外置漸變式控制策略在有源電力濾波器中的應用研究[D].廣州:廣東工業大學出版社, 2006:17-18, 45-47
：鞏經理
：13915946763
：南京塞姆泵業有限公司
