Седьмое поколение IGBT в трехуровневых преобразователях. Часть 2

Первая часть статьи.

Введение

Типовые схемы 2L- и 3L-инверторов приведены на рис. 1. В первом случае выходное напряжение может принимать только два значения, равные по амплитуде –V_DC или +V_DC. Топология 3L позволяет сформировать сигнал, каждая из полуволн которого состоит из трех уровней (0, ±V_DC/2, ±V_DC).

Рис. 1. Схемы двухуровневого и трехуровневого трехфазного инвертора. Оба устройства работают в режиме модуляции частоты и напряжения

Трехуровневые преобразователи используются в источниках бесперебойного питания (UPS) и инверторах солнечных энергетических станций, что вызвано высокими требованиями по КПД и качеству выходного сигнала данных устройств. Снижение уровня гармонических искажений достигается за счет увеличения частоты коммутации f_sw, что в свою очередь ведет к росту динамических потерь. Многоуровневая схема позволяет при относительно малом значении f_sw решить эту проблему и, кроме того, уменьшить требования к синусоидальному фильтру, габариты и стоимость которого вносят существенный вклад в показатели всего изделия.

Поскольку в фазной цепи коммутации трехуровневой схемы участвуют четыре полупроводниковых ключа, потери проводимости данной схемы несколько выше, чем у традиционной двухуровневой. Однако существенное снижение потерь переключения позволяет уменьшить общее значение рассеиваемой мощности примерно на 40%, и это достоинство особенно ярко проявляется на высоких частотах.

Компания SEMIKRON выпускает широкую гамму трехуровневых модулей в конфигурации MLI. В мощных «центральных» преобразователях солнечных станций (750 кВт и более) могут использоваться модули SEMITRANS 10 MLI в конструктиве PrimePack. Для управления ими предназначен адаптер SEMITRANS 10 MLI Driver Board, способный работать в трехуровневом инверторе с «разделенной» схемой (Split MLI, рис. 2) при напряжении DC-шины до 1500 В на частоте до 30 кГц. Верхняя и нижняя части стойки инвертора построены на модулях 12-го класса с номинальным током 1200 А.

Рис. 2. Разделенная трехуровневая схема на модулях SEMITRANS 10 (MLIT и MLIB)

С появлением нового поколения IGBT Gen.7 возникла потребность в разработке адаптированной версии адаптерной платы, которая получила название SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board. На плате управления установлено два стандартных драйвера SKYPER42 LJ, один контролирует ключи T1 и T2, другой — T3 и T4. Схема защиты анализирует напряжение насыщения всех четырех IGBT (T1–T4) и сигналы с встроенных в модули термодатчиков. Выход из насыщения приводит к мгновенному отключению соответствующего IGBT и формированию сигнала ошибки. Наличие цепи активного ограничения позволяет безопасно блокировать IGBT в любой момент времени без соблюдения определенной последовательности.

В случае если сигнал встроенного датчика температуры превышает заданное значение (порог устанавливается пользователем), IGBT немедленно отключается и драйвер выдает сообщение об ошибке.

В режиме MLI логика управления сигналами неисправности настраивается с помощью резисторов, установленных в SKYPER 42. Драйвер может генерировать сообщение об ошибке во вторичном каскаде, но не блокировать IGBT. При этом он не реагирует на внешний сигнал ошибки и остается в исходном состоянии до тех пор, пока не будет выключен по входу ШИМ. Подробно этот вопрос рассмотрен далее.

Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 Driver Board

Адаптер SEMITRANS 10 MLI M7 предназначен для управления модулями фазной стойки трехфазного инвертора: SKM1400 MLI 12TM7 (верхняя половина) и SKM1400 MLI 12BM7 (нижняя половина). Оба ключа созданы с применением чипов IGBT 7 с рабочим напряжением 1200 В и номинальным током 1400 А.

По сравнению с компонентами, выполненными по технологии Trench 4 (SKM1200 MLI12TE4 и SKM1200 MLI12BE4), модули 7-го поколения вместо датчика температуры на транзисторе T3 имеют дополнительный сигнальный вывод коллектора. Соответственно, измерение температуры производится только на IGBT T1. Это самый мощный на рынке трехуровневый модуль в корпусе SEMITRANS 10 (PrimePack). Используемое в адаптере ядро драйвера SKYPER 42 LJ PV (L5073102) способно работать при напряжении DC-шины до 1500 В, пиковый выходной ток составляет 35 А.

Рис. 3.
а) Сборка платы адаптера с модулями SEMITRANS 10 MLI;
б) адаптер SEMITRANS10 MLI М7 Driver Board

На плате SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board (номер для заказа 45157901) установлены резисторы затворов, схема активного ограничения и другие элементы настройки. Плата монтируется на сигнальные выводы модулей SEMITRANS 10, имеет коннекторы для установки драйверов SKYPER42 LJ и разъем пользовательского интерфейса.

Конструкция обеспечивает расстояние между корпусами силовых ключей 4 мм, таким образом крепежные отверстия (правое «верхнего» модуля и левое «нижнего» модуля) находятся на расстоянии 20 мм. На плате предусмотрена возможность подбора резисторов затвора, настройки напряжения ограничения и регулировки порогов схемы защиты. Гербер-файл для самостоятельного изготовления адаптера можно запросить в офисе технической поддержки SEMIKRON.

Блок-схема и электрические характеристики

Блок-схема устройства (рис. 4) состоит из двух частей: голубым цветом выделена плата с разъемами для SKYPER42 LJ (зеленые прямо­угольники), резисторами затворов, цепью ограничения, схемой термозащиты и мониторинга V_CEsat. Силовые модули трехуровневого силового каскада выделены красным цветом.

Рис. 4. Блок-схема адаптера Driver Board SEMITRANS 10 MLI М7

В соответствии с техническими требованиями плата SEMITRANS 10 MLI Driver Board предназначена для работы в следующих предельных режимах:

• напряжение DC-шины: V_DCmax = 1500 В (не более 750 В на каждую «половину» звена постоянного тока);
• выходное (линейное) напряжение: V_АСmax = 1000 В;
• частота коммутации: f_sw = 30 кГц;
• температура окружающей среды: Ta = 0…+40°C;
• сравнительный индекс трекинга: CTI > 175

Электрическая изоляция между пользовательским интерфейсом (входной каскад) и высоковольтными цепями (выходной каскад) обеспечивается драйвером SKYPE42 LJ. Изоляционный зазор по поверхности платы составляет 30 мм, по диэлектрику — 29 мм (между первичным и вторичным каскадом). Размеры устройства с учетом SKYPER42 LJ — 193,3×178×28,5 мм.

Для надежной фиксации драйверов SKYPER 42 LJ PV на плате адаптера имеются монтажные отверстия, в которые устанавливаются опорные стойки. Плата крепится к силовым модулям с помощью винтов M4, дополнительную информацию можно найти в инструкции по монтажу SEMITRANS 10.

Схема защиты

Встроенные NTC-датчики модулей SEMITRANS 10 связаны с соответствующим входом драйвера IGBT T1. При достижении пороговой температуры (устанавливается пользователем) транзистор T1 немедленно отключается, сигнал неисправности транслируется на вход драйвера. При этом остальные IGBT также блокируются, поскольку выводы ERROR драйверов объединены.

Схема управления производит мониторинг напряжения насыщения V_{CE_sat} всех четырех ключей (Т1–Т4), при достижении порогового значения (перегрузка по току или КЗ) генерируется сигнал ошибки.

Транзисторы Т1–Т4 защищены от опасных перенапряжений схемой активного ограничения. Порог ее включения должен быть выбран ниже блокирующей способности IGBT, в то же время цепь не должна влиять на нормальную работу инвертора. При активации схемы обратная связь блокирует выходной каскад SKYPER 12, предотвращая поступление импульсов управления на затворы IGBT.

Настройка платы

Ряд компонентов платы предназначен для адаптации инвертора к условиям эксплуатации. Подборные элементы выделены цветами на рис. 5, их назначение описано далее.

Рис. 5. Верхняя сторона платы, подборные элементы выделены рамками

Термозащита

Температура модулей SEMITRANS 10 измеряется встроенным NTC-сенсором, в случае перегрева компаратор передает логический 0 на вход ERROR драйвера SKYPER, формирующего сигнал ошибки (рис. 6). Для настройки порога термозащиты предназначен резистор R143 (выделен коричневой рамкой на рис. 5).

Рис. 6. Схема термозащиты с NTC-сенсором

Стандартное значение R143 составляет 332 Ом и соответствует порогу отключения +115 °С. Защиту от перегрева можно блокировать, для этого резисторы R140, R141 не устанавливаются. Выбор сопротивления R143 (типоразмер 0805) производится с помощью графика зависимости R_NTC от температуры (рис. 7), где наиболее важен интервал +70…+150 °C. Подобные кривые, а также формулы для расчета даются в технических спецификациях SEMITRANS 10.

Рис. 7. Характеристика NTC-сенсора

Термозащита отключает внешние IGBT Т1 или Т4 в произвольные моменты времени. Удаление R140, R141 позволяет пользователю реализовать раздельный мониторинг температуры по ключам и блокировать их в безопасной последовательности.

Резисторы затвора

На контактной плате монтируются затворные резисторы включения (R_Gon), выключения (R_Goff) и мягкого выключения (R_soft) типоразмера MiniMELF или 1206. Для корректной работы устройства все эти элементы должны быть установлены. Дополнительный резистор между драйвером и эмиттерами параллельных модулей снижает уровень паразитных осцилляций при переключении.

Для монтажа R_Gon предусмотрено четыре посадочных места (голубая рамка на рис. 5), R_Goff — пять посадочных мест (оранжевая рамка на рис. 5), R_soft — два посадочных места (зеленая рамка на рис. 5). При выборе номиналов необходимо учитывать не только тип и режимы работы IGBT, но и импульсную мощность резистора в режиме коммутации.

На плате предусмотрены элементы защиты цепи затворов IGBT: одно посадочное место типоразмера SMB и два места типоразмера 0805 (красная рамка на рис. 5). SEMIKRON рекомендует использовать одну площадку 0805 для монтажа сопротивления 10 кОм, а SMB для размещения двуполярного диода-супрессора (TVS) с напряжением 15 В. Еще одна площадка 0805 предназначена для установки конденсатора C_GE. Кроме того, на плате имеется два посадочных места MiniMELF или 1206 для монтажа эмиттерных резисторов IGBT.

Активное ограничение

Схема активного ограничения приведена на рис. 8. Для размещения TVS-диодов предназначено пять площадок размера SMB на каждый IGBT (V60–V64, V70–V74, V80–V84 и V90–V94, пунктирная коричневая рамка на рис. 5). На схеме также показан резистор (R63, R71, R81, R91) ограничения тока заряда затворной емкости и TVS-диод, защищающий затвор от перенапряжений. Как и в предыдущих случаях, сигнал обратной связи подается через резистор на вход драйвера для подавления импульсов управления в режиме ограничения. В режиме ограничения каскад драйвера отсоединяется от затвора, чтобы процесс его зарядки не нарушал работу схемы управления.

Рис. 8. Схема активного ограничения

Мониторинг V_CEsat

На рис. 9 показана схема мониторинга напряжения насыщения V_CEsat IGBT с цепью фильтрации (конденсатор фильтра выделен зеленой пунктирной рамкой на рис. 5). Это необходимо для предотвращения ложных срабатываний схемы защиты от перегрузки на внутренних IGBT (T2 и T3).

Рис. 9. Фильтрация сигнала VCE

Идея состоит в том, что включение Т1 производится только тогда, когда Т2 уже открыт и время блокировки t_bl этого ключа закончилось. Высокая скорость изменения тока di/dt (например, при емкостной нагрузке) может привести к образованию всплеска напряжения в сигнале V_CE T2 и, как следствие, к паразитному включению схемы DESAT. Сказанное справедливо и для IGBT T3/T4.

Схема контроля ошибки SKYPER 42 LJ PV

Сопротивление R10 (0805, выделено пунктирной фиолетовой рамкой на рис. 5) может отсутствовать или заменяться перемычкой (0 Ом). Во втором случае (рекомендация SEMIKRON) выходы/входы сигнала ошибки двух SKYPER 42LJ оказываются соединенными. Если R10 не установлен, то сигнал с выхода ERROR одного драйвера не будет немедленно поступать на вход ERROR другого драйвера.

Резисторы R15–R18 (0805, выделены пунктирной красной рамкой на рис. 5) выбирают в соответствии с таблицей 1. Элементы R15, R16 устанавливают связь каналов ошибки ERROR драйвера, управляющего Т1 и Т2, R17 и R18 — драйвера Т3 и Т4. Любые другие комбинации (например, все резисторы = 0 или все резисторы отсутствуют) могут привести к отказу системы.

Защитные функции SKYPER 42 LJ PV

Если входы и выходы ERROR драйверов соединены друг с другом (R42 = R47 = 0 Ом), они используют единую цепь сигнала ошибки. В этом случае при обнаружении неисправности в одном из каналов блокируются все связанные устройства. При отсутствии такой связи появляется возможность независимого контроля состояния каналов. Тогда выходы ERROR следует подключить к управляющему контроллеру, который блокирует при необходимости соответствующие входы драйверов.

В трехуровневой схеме функция Interlock (запрет одновременного включения транзисторов полумоста) должна быть отключена, поскольку оба IGBT (T1/T2 или Т3/Т4) могут открываться одновременно. Назначение резисторов R19, R20, R21, R22 описано в таблице 2.

Назначение элементов R30–R33 (типоразмер 0805, выделены красной пунктирной рамкой на рис. 5) описано в таблице 3. Резисторы R30 и R31 устанавливают параметры входных фильтров драйверов Т3 и T4, R32 и R33 — драйверов Т1 и T2. Использование любой другой комбинации (например, все сопротивления = 0 или не установлены) ведет к сбою или отказу системы.

Рекомендации и ограничения

Защита с детектированием короткого замыкания

Плата драйвера обеспечивает токовую защиту (DESAT) и активное ограничение по всем IGBT (T1–T4). Транзисторы могут быть блокированы в любой момент времени без соблюдения определенной последовательности отключения, которая обычно требуется в трехуровневых схемах. Необходимые установки приведены в таблице 4.

При использовании указанных значений выход из насыщения любого IGBT ведет к его немедленной блокировке и формированию сигнала ошибки. Все остальные транзисторы также мгновенно отключаются, поскольку входы/выходы ERROR всех каналов объединены. Когда внутренние IGBT T2/T3 блокируются раньше (при обнаружении неисправности или при подаче внешнего сигнала), активируется схема активного ограничения.

Защита без детектирования короткого замыкания

Если защита от КЗ не требуется, то диоды V101, V201, V301 и V401 не устанавливаются. TVS-cупрессоры обычно требуются на внутренних IGBT для их защиты от перенапряжения из-за длинной цепи коммутации (большая реактивная мощность). Необходимые установки приведены в таблице 5.

Если состояние перегрузки детектируется в выходном каскаде (управляющем Т1), сигнал ошибки транслируется на вход (вывод 15 разъема Х10), драйвер не реагирует. Транзисторы должны отключаться по ШИМ-сигналу контроллера, при этом внешний IGBT блокируется первым, а внутренний — через несколько мкс. Подробные объяснения работы схемы управления MLI приведены в SEMIKRON AN11001 [2].

Существует возможность параллельного включения нескольких драйверов для повышения мощности инвертора. Благодаря цифровому способу передачи данных и малому временному разбросу входы параллельных плат управления можно объединить. При этом ШИМ-импульсы и сигналы ошибки передаются по одному кабелю.

В трехфазных системах драйверы не объединены по сигналу ошибки, эта связь должна обеспечиваться пользователем — либо путем прямого соединения цепей ERROR, либо через контроллер.

Резисторы затворов

Минимальное значение R_G определяется перепадом напряжения управления при коммутации и нагрузочными характеристиками драйвера. Например, при V_Gon/off = +15/–8 В разница составляет 23 В. С учетом пикового тока SKYPER 42 LJ PV (35 A) минимальное суммарное сопротивление затвора R_Gmin = 0,65 Ом. Эта величина состоит из внутреннего R_Gint двух модулей (приводится в технической спецификации), эмиттерных сопротивлений и внешних резисторов затвора R_Gon и R_Goff.

При выборе величины R_G необходимо рассчитать рассеиваемую мощность с учетом омического сопротивления, чтобы исключить перегрев. Особенностью работы резисторов затвора является высокая импульсная нагрузка, при этом чип-компоненты типоразмера 1206 имеют меньшую мощность и стойкость к перегрузкам, чем MiniMELF. Более подробную информацию о выборе затворных резисторов можно найти в руководстве AN-7003 [7].

Активное ограничение

Настройка уровня активного ограничения напряжения IGBT T1–T4 осуществляется путем выбора типа и количества последовательно соединенных SMB-супрессоров (TVS). Суммарное значение V_br с учетом всех допусков и температурной зависимости должно быть ниже блокирующей способности IGBT.

Схема активного ограничения не должна влиять на работу инвертора, даже при максимальном напряжении DC-шины (с учетом допусков и коммутационных перенапряжений), чтобы не увеличивать потери переключения. Режим ограничения ни в коем случае не следует использовать для решения проблем, связанных с плохой конструкцией и высокой индуктивностью звена постоянного тока.

Перечень элементов

Устройство управления SEMITRANS 10 MLI М7 Driver Board протестировано в составе макета 3L-инвертора разделенной конфигурации с силовыми модулями SEMITRANS 10 (SKM1400MLI12TМ7 и SKM1400MLI12BМ7), перечень использованных элементов приведен в таблице 6.