数字IGBT驱动技术在高可靠性APF/SVG产品中的应用
杭州飞仕得科技有限公司 洪磊
 
摘要
APF(有源电力滤波器)/SVG（静止无功发生器）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，随着“高功率密度以及低系统成本”的发展需求，NPC I型三电平成业内最为领先的拓扑结构。相比较传统的两电平拓扑，NPC I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NPC I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)/SVG（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。

图1 电力电子设备失效分析
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NPC I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【】或者驱动核【】，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 I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、NPC I型三电平拓IGBT驱动难点
2.1 内外管的关断时序
如图2所示，在NPC I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“-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，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S1~S4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“-1”。如果现在出现正常停机或者异常过流，先关内管还是先关外管？
图3b给出了先关外管（S4=0），此后电流通过D6流回到O点，AC电位为“0”，再关内管（S3=0），内管S3两端承受的为1/2V_DC。
图3c给出了先关内管（S3=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=0），内管S3两端承受的为V_DC，模块会过压损坏。



 
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的开关状态：0110，电流由AC点通过S3，D6流到“O”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，D6也存在反向恢复电流，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，导致关断尖峰过高。

 
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一共有1个或者3个故障口返回，实际在研发调试还是在现场出现问题时，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、NPC I型用数字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NPC I型的智能时序管理 OS时序原理示意图如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检测，即使上位机异常或者有错误的时序指令，他会自动调整为正确的时序，出现异常工况，如欠压或者短路，他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，大大简化客户系统设计；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的关断过程分为三级，与传统的单个关断电阻值不同，他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。


 
基于三级的关断过程，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。

图7 故障分类示意图
 
4、测试验证
D-CORE是Firstack开发的适用380V_AC系统的NPC I型三电平专用数字驱动核，如图8所示，其具有智能时序管理 OS，分级关断，故障分类等功能，为了验证功能，基于采用D-CORE的开发的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。
 







 
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，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的控制时序图如11b所示。
4.2 尖峰抑制波形
测试测试波形如下：

 
4.3 分级关断测试波形
实验条件：采用英飞凌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术的实测波形，波形如下所示






图14 带分级关断的测试波形
从对比测试结果来看，在同等实验条件下，不带分级关断的V_{CE_MAX}=168V，带分级关断的V_{CE_MAX}=108V，电压尖峰下降了35%。
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：1.414），也可以做APF产品（波峰系数：2.5）。
 
4.4 智能故障分类测试波形
实验方法，模式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：

图15 SC故障时，故障返回保持时间：10ms

图16 UVLO故障时，故障返回保持时间：25ms
 
5、结论：
随着APF/SVG产品在电网中应用越来越多，可靠性也要求越来越高。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 I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问题，基于数字驱动的智能时序管理 OS，分级关断技术，智能故障分类技术，可以有效解决上述问题，大幅提高IGBT模块的可靠性，进而提高APF/SVG产品的可靠性。
 
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，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  浙江大学，电力电子与电力传动专业，研究生硕士。先后任职于苏州汇川技术有限公司与杭州飞仕得科技有限公司。期间，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功率专用多传变频器的平台产品开发，以及新一代低压大功率HE系列通用多传变频器平台产品开发。2014年通过国际PMP（Project Management Professional）考试，开发了基于DSP 28344的高性能通用数字控制器的硬件平台以及并网算法，应用在充电桩领域。基于数字驱动技术，开发了针对电能质量领域的I型三电平功率套件，业内首创，带领团队开发了一系列的车载高性能智能化一体IGBT驱动器。