数字IGBT驱动技巧在高靠得住性APF/SVG产品中的应用
杭州飞晔雒科技有限公司 洪磊
 

摘要
APF(有源电力滤波器)/SVG（静止无功产生器）作为新一代有源谐波/无功补偿设备，应用越来越广泛。作为基于IGBT半导体器件的电力电子产品，跟着“高功率密度以及低体系成本”的成长需求，NPC I型三电平成业内最为领先的拓扑构造。比拟较传统的两电平拓扑，NPC I型三电平体系更为复杂，存在IGBT表里管关断缺点时序、内管关断尖峰过高、模组故障难以定位等问题，导致实际应用中IGBT的掉效力较高，若何进步其靠得住性是当下亟待解决的问题。本文重点阐述了NPC I型三电平拓扑上述问题的机理，并基于新一代数字IGBT驱动技巧，给出了智能的解决筹划：智能时序治理OS、分级关断、智能故障分类等技巧，可以大年夜大年夜进步NPC I型拓扑中IGBT的靠得住性，进而进步APF/SVG产品的靠得住性。
 
1、引言
近年来跟着新能源发电，智能电网，轨道交通，新能源汽车等家当的敏捷成长，接入电网的相干电力电子设备越来越多，非线性负荷的大年夜量应用造成的电网内电压电流谐波畸变问题日趋严重。于此同时，跟着城乡经济成长，家庭电力负荷急剧增长，末尾电压低，负荷不均衡等无功问题凸起。APF(有源电力滤波器)/SVG（静止无功产生器）作为新一代有源谐波/无功补偿设备，获得大年夜量应用。
   APF/SVG是基于IGBT半导体器件的电力电子设备，大年夜如下图电力电子设备掉效统计分析【1】，我们可以看出，IGBT及其驱动器的掉效力占全部电力电子设备的掉效的50%以上。
图1 电力电子设备掉效分析
所以，在APF/SVG产品中，IGBT及其驱动的靠得住性显得尤为重要。跟着“高功率密度以及低体系成本”的成长需求，APF/SVG的拓扑构造也由最开端的两电平成长成为NPC I型三电平，体系更为复杂，存在IGBT表里管关断缺点时序、内管关断尖峰过大年夜、模组故障难以定位等问题，导致实际应用中IGBT的掉效力较高，若何进步其靠得住性是当下亟待解决的问题。
本文┞冯对NPC I型三电平中存在的问题，基于数字驱动技巧，提出了智能的解决筹划：智能时序治理OS、分级关断技巧、智能故障分类技巧。
 
2、NPC I型三电平拓IGBT驱动可贵
实验前提：采取英飞凌F3L150R07W2E3_B11两并联，V_DC=900V，I_C=150A，测试内管S3带分级关断以及不带分级关断技巧的实测波形，波形如下所示
2.1 表里管的关断时序
如图2所示，在NPC I型三电平拓扑构造中，每相的功率器件一共有6个：4个IGBT（S1，S2，S3，S4），2个二极管（D5，D6）。4个IGBT不合的开关组合，可以构成不合换流模态，将S1~S4状况分别用0和1表示，0表示关断，1 表示开通；同时涓镞正登基为“+1”，母线负的登基为“-1”，一共有以下几种组合模态（假设电流流向向内），如表1

上述表中可以看出，NPC I型三电平有5种模态，个中包含稳态C，6，3和过渡态4，2，个中C，6，3稳态遵守S1和S3互补，S2和S4互补原则。为了分析时序问题，我们取模态3，此时的S1~S4的状况为：0011，如图3a所示，S3和S4开通，电流由AC流向母线负，此时的AC点登基为“-1”。如不雅如今出现正常停机或者异常过流，先关内管照样先关外管？
图3b给出了先关外管（S4=0），此后电流畅过D6流回到O点，AC登基为“0”，再关内管（S3=0），内管S3两端遭受的为1/2V_DC。
4.4 智能故障分类测试波形

图3c给出了先关内管（S3=0），此后电流畅过D1，D2流回到母线正，AC登基为“+1”，再关外管（S4=0），内管S3两端遭受的为V_DC，模块会过压破坏。



 
 
2.2 内管关断尖峰过高
如图4a所示，NPC I型半桥工作在模态6，S1~S4的开关状况：0110，电流由AC点经由过程S3，D6流到“O”点。此时切换到模态4，即S1~S4的开关状况：0100，则电流会由AC点经由过程S2，D1流到母线正，在S3关断的过程中，D6也存在反向恢复电流，如图4b所示，全部换流路径经由C1，D1，S2，S3，D6器件，形成一个大年夜换流回路，存在较大年夜的杂散电感，导致关断尖峰过高。

2.3 模组故障难以定位
比拟较传统两电平，三电平逆变器中的IGBT一共有12个，是两电平的2倍，每个IGBT至少有欠压和短路两种以上的故障，如许一共有24种故障。传统的驱动芯片或者驱动核不克不及区分欠压或者短路故障，且如今比较多的┞菲握体系常见的是三相一共有1个或者3个故障口返回，现其实研发调试照样在现场出现问题时，肮脏道报IGBT故障，不知道是哪个IGBT故障，以及故障类型，给分析整机问题带来较大年夜挑衅。
4.3 分级关断测试波形
 
3、NPC I型用数字IGBT驱动技巧
3.1 智能时序治理 OS
数字驱动器，是基于数字MCU进行PWM旌旗灯号传输以及IGBT故障保护。针对NPC I型的智能时序治理 OS时序道理示意图如5所示。
驱动器上原边的MCU接收2路PWM旌旗灯号传输，一个为内管，一个为外管，并经由过程隔离器件传输到副边的驱动模块，副边的驱动模块对响应的IGBT进行驱动以及保护，并将故障信息及时的经由过程隔离器件传输到原边的MCU。MCU根据上位机发过来的表里管关断旌旗灯号以及IGBT反馈的故障信息，调和响应的关断时序，实现智能时序治理。
     

智能时序治理OS，能对正常的关断时序进行检测，即使上位机异常或者出缺点的时序指令，他会主动调剂为精确的时序，出现异常工况，如欠压或者短路，他都能按精确时序关断。
时序处理不依附于上位机，可以省去传兼顾划主控体系中的CPLD，大年夜大年夜简化客户体系设计；更接近IGBT，响应更快，且不会存在因为传输线受干扰或者接插件脱落激发体系故涨９依υ题，靠得住性更高。
3.2 分级关断技巧
门极电隔绝于IGBT的关断特点的影响是Rg越大年夜，关尖峰也越小，为懂得决内管关断尖峰的问题，比较好思路就是加大年夜关断电阻。然则Rg增大年夜同时会带来关断延时增长，关断损耗增长，会影响到整机的逝世区设置以及热设计。
分级关断技巧应用了关断电隔绝于IGBT关断特点的影响机理，根本的道理是将IGBT的关断过程分为三级，与传统的单个关断电阻值不合，他在关断过程中不应时段会有三种不合阻值的关断电阻，如图6所示，R1，R2，R3由数字驱动器中的MCU控制具体在什么时刻投入到门极回路。


基于三级的关断过程，可以实现有效克制电压尖峰的同时，兼顾关断延时和关断损耗，使得关断特点达到最优状况。
 
3.3 智能故障分类
传统的驱动芯片或者驱动核，将电压欠压故障和短路故障汇总到Fault口，Fault为低电日常平凡，上位机认为出现了驱动故障，但无法区分是欠压故障照样短路故障。
传统的光耦驱动【】或者驱动核【】，在解决上述问题时都存在必定局限性：比如时序保护都须要依附上位机合营，在出现发波异常或者接插件脱落时无法有效保护；基于有源钳位的尖峰克制技巧，实际应用钳位效不雅受到母线波动，温度等多种身分的影响，且在频繁动作时TVS管存在掉效风险；出现IGBT故障时很难快速定位故障。
智能故障分类，是基于数字驱动器中的MCU，控制Fault口反馈低电平的宽度，进而区分是欠压故障照样短路故障，示意图如图7所示。
图7 故障分类示意图
 
4、测实验证
D-CORE是Firstack开辟的实用380V_AC体系的NPC I型三电平专用数字驱动核，如图8所示，其具有智能时序治理 OS，分级关断，故障分类等功能，为了验证功能，基于采取D-CORE的开辟的100kW功率模组平台进行响应的实验测试。模组平台如图9所示。
 



4.2 尖峰克制波形



 
4.1 时序治理测试波形
4.1.1 欠压状况下的时序
实验办法：在驱动器电源掉落的过程中，不雅察S3和S4门极旌旗灯号的关断情况，具体测试波形如下。
 
 
4.1.2 短路状况下的时序
实验前提：采取英飞凌F3L150R07W2E3_B11两并联，V_DC=900V下，做S3和S4的短路实验，短路测试电流图如

图11a所示，S3和S4的┞菲握时序图如11b所示。
测试测试波形如下：
 


 






图14 带分级关断的测试波形
大年夜比较测试结不雅来看，在一致实验前提下，不带分级关断的V_{CE_MAX}=168V，带分级关断的V_{CE_MAX}=108V，电压尖峰降低了35%。
经由过程尖峰的有效克制，可以使F3L150R07W2E3_B11两并联模块不仅可以做150A的SVG产品（波峰系数：1.414），也可以做APF产品（波峰系数：2.5）。
 
实验办法，模式驱动器的欠压和短路故障，不雅察D-CORE驱动器的Fault口的反馈电平变更，测试波形如下：

图15 SC故障时，故障返回保持时光：10ms

图16 UVLO故障时，故障返回保持时光：25ms
 
5、结论：
跟着APF/SVG产品在电网中应用越来越多，靠得住性也请求越来越高。作为电力电子产品，IGBT及其驱动的靠得住性显得尤为重要。
针对今朝APF/SVG产品主流NPC I型三电平拓扑应用中的表里管关断缺点时序、内管关断尖峰过大年夜、模组故障难以定位等问题，基于数字驱动的智能时序治理 OS，分级关断技巧，智能故障分类技巧，可以有效解决上述问题，大年夜幅进步IGBT模块的靠得住性，进而进步APF/SVG产品的靠得住性。
 
参考文献：
1，U. Choi, F. Blaabjerg, K.Lee, “Study and Handling Methods of Power IGBT Module Failures in Power Electronic Converter System”IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no.5, pp.2517-2533, May. 2015.
2，孙辉波，杨勇，“电动车低速过载工况下IGBT动态温升分析”，第十七届中国电动车辆学术年会，2013，7.
3，Fuji Technical documentation： 6MBI800XV-075V-01.pdf
作者简介
洪磊  浙江大年夜学，电力电子与电力传动专业，研究生硕士。先后任职于姑苏汇川技巧有限公司与杭州飞晔雒科技有限公司。时代，任功率硬件研发工程师，项目经理等，先后负责工程型低压大年夜功率专用多传变频器的平台产品开辟，以及新一代低压大年夜功率HE系列通用多传变频器平台产品开辟。2014年经由过程国际PMP（Project Management Professional）测验，开辟了基于DSP 28344的高机能通用数字控制器的硬件平台以及并网算法，应用在充电桩范畴。基于数字驱动技巧，开辟了针对电能质量范畴的I型三电平功率套件，业内开创，带领团队开辟了一系列的车袈湄高机能智能化一体IGBT驱动器。