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数字IGBT驱动技术在高可靠性APF/SVG产品中的应用

相比较传统的两电平拓扑,NPC 1型三电平系统更为复杂,存在IGBT内外管关断错误时序、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的失效率较高,如何提高其可靠性是当下亟待解决的问题.本文重点阐述了NPCI型三电平拓扑上述问题的机理,并基于新一代数字IGBT驱动技术,给出了智能的解决方案：智能时序管理os、分级关断、智能故障分类等技术,可以大大提高NPCI型拓扑中IGBT的可靠性,进而提高APF/SVG产品的可靠性.

1.引言

近年来随着新能源发电,智能电网,轨道交通,新能源汽车等产业的迅速发展,接入电网的相关电力电子设备越来越多,非线性负荷的大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,随着城乡经济发展,家庭电力负荷急剧增加,末端电压低,负荷不平衡等无功问题突出.APF（有源电力滤波器VSVG（静止无功发生器）作为新一代有源谐波/无功补偿设备,得到大量应用.

APF/SVG是基于IGBT半导体器件的电力电子设备,从如下图电力电子设备失效统计分析[1],我们可以看出,IGBT及其驱动器的失效率占整个电力电子设备的失效的50%以上.

所以,在APF/SVG产品中,IGBT及其驱动的可靠性显得尤为重要.随着“高功率密度以及低系统成本”的发展需求,APF/SVG的拓扑结构也由最开始的两电平发展成为NPC1型三电平,系统更为复杂,存在IGBT内外管关断错误时序、内管关断尖峰过大、模组故障难以定位等问题,导致实际应用中IGBT的失效率较高,如何提高其可靠性是当下亟待解决的问题.

传统的光耦驱动[2]或者驱动核[3],在解决上述问题时都存在一定局限性：比如时序保护都需要依赖上位机配合,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抑制技术,实际应用钳位效果受到母线波动,温度等多种因素的影响,且在频繁动作时TVS管存在失效风险；出现IGBT故障时很难快速定位故障.

本文针对NPC 1型三电平中存在的问题,基于数字驱动技术,提出了智能的解决方案：智能时序管理Os、分级关断技术、智能故障分类技术.

2.NPCI型三电平IGBT驱动挑战

2.1内外管的关断时序

如图2所示,在NPC 1型三电平拓扑结构中,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不同的开关组合,可以组成不同换流模态,将S1-S4状态分别用0和1表示,0表示关断,1表示开通；同时母线正电位为“+1”,母线负的电位为“-l”,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 1型三电平有5种模态,其中包括稳态C,6,3和过渡态4,2,其中C,6,3稳态遵循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S1S4的状态为：0011,如图3a所示,S3和S4开通,电流由AC流向母线负,此时的AC点电位为“一1”.如果现在出现正常停机或者异常过流,先关内管S3还是先关外管S4？

图3b给出了先关外管(S4等于0),此后电流通过D6流回到O点,AC电位为“0”,再关内管(S3等于0),内管S3两端承受的为1/2VDC.

图3e给出了先关内管(S3等于0),此后电流通过D1,D2流回到母线正,AC电位为“+1”,再关外管(S4等于0),内管S3两端承受的为VDC,模块会过压损坏.

基于上述分析,NPC 1型三电平必须先关外管再关内管,无论是正常停机工况,还是异常工况,如欠压保护,短路保护等.

2.2内管关断尖峰过高

如图4a所示,NPCI型半桥工作在模态6,S1-S4的开关状态：刚10,电流由AC点通过S3,D6流到“0”点.此时切换到模态4,即S1-S4的开关状态：0100,则电流会由AC点通过S2,D1流到母线正,在S3关断的过程中,如图4b所示,整个换流路径经过C1,D1,S2,S3,D6器件,形成一个大换流回路,存在较大的杂散电感,最高可达80nH左右,尤其对于APF应用场合,波峰系数（电流峰值/电流有效值）一般在2-2.5,IGBT关断的峰值电流更大,关断尖峰更高.

2.3模组故障难以定位

相比较传统两电平,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,这样一共有24种故障.传统的驱动芯片或者驱动核不能区分欠压或者短路故障,且现在比较多的控制系统常见的是三相采用1个或者3个故障口返回.导致在实际研发调试或者现场出现问题时,只知道报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挑战.

3.NPCI型三电平数字IGBT驱动技术

3.1智能时序管理os

数字驱动器,是基于数字MCU进行PWM信号传输以及IGBT故障保护.针对NPCI型的智能时序管理Os时序原理示意图如图5所示.

驱动器上原边的MCU接收2路PWM信号传输,一个为内管,一个为外管,并通过隔离器件传输到副边的驱动模块,副边的驱动模块对相应的IGBT进行驱动以及保护,并将故障信息及时的通过隔离器件传输到原边的MCU.MCU根据上位机发过来的内外管关断信号以及IGBT反馈的故障信息,协调相应的关断时序,实现智能时序管理.

智能时序管理Os,能对正常的关断时序进行监测,即使上位机异常或者有错误的时序指令,会自动调整为正确的时序；出现异常工况,如欠压或者短路,都能按正确时序关断.

时序处理不依赖于上位机,可以省去传统方案主控系统中的CPLD,大大简化系统设计；更靠近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引发系统故障的问题,可靠性更高.

3.2分级关断技术

门极电阻对于IGBT的关断特性的影响是Rg越大,关尖峰也越小,为了解决内管关断尖峰的问题,比较好思路就是加大关断电阻.但是Rg增大同时会带来关断延时增加,关断损耗增加,会影响到整机的死区设置以及热设计.

分级关断技术利用了关断电阻对于IGBT关断特性的影响机理,基本的原理是将IGBT的关断过程分为,与传统的单个关断电阻值不同,在关断过程中不同时段会有三种不同阻值的关断电阻,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.

基于的关断过程,可以实现有效抑制电压尖峰的同时,兼顾关断延时和关断损耗,使得关断特性达到最优状态.

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为低电平时,上位机认为出现了驱动故障,但无法区分是欠压故障还是短路故障.

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还是短路故障,示意图如图7所示.比如,低电平保持时间10ms,为sc（短路）故障：低电平保持时间25ms,为UVLO(欠压)故障.

通过故障类型的区分,可以进行协助整机快速定位故障.

4.测试验证

D-CORE[4]是Firstack针对380VAC系统开发的NPC1型三电平专用数字驱动核,如图8所示,其具有智能时序管理oS,分级关断,故障分类等功能.为了验证相应的数字驱动技术,采用D-CORE的开发了100kW功率模组平台进行相应的实验测试.模组平台如图9所示,采用英飞凌EasyPACK封装的F3L150R07W2E3B11模块两并联,不均流度<3%.

4.1时序管理测试波形

4 .1.1欠压状态下的时序

实验方法：在驱动器电源掉的过程中,观察S3和S4门极信号的关断情况,具体测试波形如下.

4.1.2短路状态下的时序

实验条件：采用英飞凌F3L150R07W2E3_B11两并联,VDC等于900V下,做S3和S4的短路实验,短路测试主回路如图11a所示,s3和S4的控制时序图如11b所示.

4.2分级关断测试波形

实验条件：采用英飞凌F3L150R07W2E3_B11两并联,VDC等于900V,lc等于150A,测试内管S3带分级关断以及不带分级关断的电压尖峰VCE MAX,波形如下所示：

从对比测试结果来看,在同等实验条件下,不带分级关断的VCE_MAX等于620V,带分级关断的VCE_MAX等于556V,电压尖峰下降了10%.

通过尖峰的有效抑制, 可以使F3L150R07W2E3_B11两并联模块不仅可以做150A的SVG产品（波峰系数：1.4）,也可以做150A的APF产品（波峰系数：2.5）.

4.3智能故障分类测试波形

实验方法：模拟驱动器的欠压和短路故障,观察D-CORE驱动器的Fault口的反馈电平变化,测试波形如下：

5.结论

随着APF/SVG产品在电网中应用越来越多,可靠性要求也越来越高.作为电力电子产品,IGBT及其驱动的可靠性显得尤为重要.

针对目前APF/SVG产品主流NPC 1型三电平拓扑应用中的内外管关断错误时序、内管关断尖峰过大、模组故障难以定位等挑战,Firstack基于数字驱动,开发的智能时序管理Os,分级关断,智能故障分类,可以有效解决上述问题,大幅提高NPC 1型三电平IGBT模块的可靠性,进而实现APF/SVG产品的高可靠性.

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] AGO Technical documentation: HCPL-316J.pdf

[3] Pl Technical documentation: 2SC0108T Description&

Application Manual.pdf

[4] Firstack Technical documentation: D-CORE.pdf

作者简介

洪磊(1987-)男,硕士,杭州飞仕得科技有限公司产品总监.浙江大学电力电子专业毕业,研究方向电力电子电能质量控制,曾就职于汇川技术,有多年电力电子产品功率设计以及IGBT驱动应用经验,基于数字驱动技术,带领团队开发了针对APF/SVG产品的1型三电平专用数字驱动核,为业内首创,已获得广泛应用,并得到客户的高度认可.

图1：电力电子设备失效分析

表1

图2：FxtPCt型三电平拓扑结构

图3a

图3b

图3e

图4a

图4b

图5：智能时序管理OS示意图

图6：分级关断电阻示意图

图7：故障分类示意图

图8：D-CORE驱动核