Электроника для солнечной энергетики и не только

№ 3’2019
PDF версия
Принцип работы многоуровневой схемы прост: модули или инверторные ячейки соединяются последовательно, за счет этого напряжение питания устройства может быть выше рабочего напряжения отдельных ключей. Подобное решение позволяет формировать «многоступенчатый» выходной сигнал, снизить уровень гармонических искажений и отказаться от дорогостоящих и громоздких выходных фильтров. Очевидно, что все силовые ключи при этом должны управляться гальванически изолированными сигналами.

Общие положения

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

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

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 fsw, что в свою очередь ведет к росту динамических потерь. Многоуровневая схема позволяет при относительно малом значении fsw решить эту проблему и, кроме того, уменьшить требования к синусоидальному фильтру, габариты и стоимость которого вносят существенный вклад в показатели всего изделия. Еще одно достоинство 3L-топологии состоит в низком уровне излучаемых электромагнитных шумов, что особенно важно для таких применений, как UPS.

Поскольку в цепи коммутации трехуровневой схемы участвуют четыре полупроводниковых ключа, потери проводимости данной схемы несколько выше, чем у традиционной двухуровневой. Однако существенное снижение потерь переключения сокращает общее значение рассеиваемой мощности примерно на 40%, и это достоинство особенно ярко проявляется на высоких частотах коммутации [1, 2].

Компания SEMIKRON выпускает широкую гамму трехуровневых модулей в конфигурации MLI (рис. 2): SEMITOP (миниатюрные с паяным подключением), MiniSKiiP (миниатюрные с пружинными контактами), SEMITRANS (стандартные 62-мм с винтовыми терминалами), SKiM («безбазовые» модули прижимного типа). Модули SKiM и SEMITRANS (62 мм) имеют рабочий ток в диапазоне 150–600 А. Силовые ключи 12-го класса семейства SKiM с током ICnom до 300 А ориентированы на использование в инверторах солнечных батарей с напряжением VDC = 1500 В. Для создания наиболее мощных «центральных» преобразователей солнечных станций (750 кВт и более) разработаны модули SEMITRANS 10 в конструктиве PrimePack.

Трехуровневые модули MLI в различных корпусах

Рис. 2. Трехуровневые модули MLI в различных корпусах

Схема 3L NPC/TNPC включена в меню программы теплового расчета SEMiSEL, хорошо известной разработчикам во всем мире. Благодаря применению экспериментальных трехмерных тепловых моделей компонентов программа позволяет проводить быстрый и точный анализ тепловых характеристик практически всех используемых в силовой электронике схем [4, 5].

 

Универсальное устройство управления SKYPER12 (T)MLI Driver Board

Для упрощения процесса проектирования трехуровневых инверторов специалистами SEMIKRON разработано несколько вариантов устройств управления модулями MLI и TMLI. Плата SKYPER12 (T)MLI driver board предназначена для применения в составе 3L-преобразователей SEMIKRON (например, SEMITOP E2 Inverter Board, см. далее), а также для собственных разработок. Она способна взаимодействовать с силовыми каскадами с напряжением DC-шины до 1500 В на частоте коммутации до 30 кГц. В устройстве есть два стандартных цифровых драйвера SKYPER12, контролирующих ключи Т1/Т2 и Т3/Т4 (рис. 3).

Фазная стойка MLI (слева) и TMLI (справа) инвертора

Рис. 3. Фазная стойка MLI (слева) и TMLI (справа) инвертора

Схема защиты SKYPER12 способна обнаруживать выход из насыщения любого из четырех IGBT (T1–T4), она также может анализировать состояние встроенных NTC-датчиков температуры модулей по каналам T1 и T4. При превышении температурного порога (задается пользователем) внешние IGBT мгновенно отключаются, и драйвер формирует сигнал ошибки. В большинстве случаев выход из насыщения внешних ключей (T1 и T4) приводит к их блокировке, при этом мониторинг состояния внутренних IGBT (T2 и T3) не производится.

Кроме того, устройство имеет вход для реализации режима активного ограничения по всем четырем транзисторам. Как правило, цепь active clamping устанавливается только на внутренних ключах, для чего используются соответствующие входы по каналам T2 и T3.

Основные особенности

Универсальное устройство управления 3L-инверторами SKYPER 12 (T)MLI driver board состоит из печатной платы (PCB, артикул 45137601), на которой расположены коннекторы для соединения с четыремя транзисторами фазной стойки (MLI или TMLI) с одной стороны и разъемы для установки драйверов SKYPER12 и подключения пользовательского интерфейса с другой стороны (рис. 4).

Плата управления SKYPER 12 (T)MLI Driver Board (вид сверху)

Рис. 4. Плата управления SKYPER 12 (T)MLI Driver Board (вид сверху)

В зависимости от номинальной мощности IGBT и условий эксплуатации (напряжение, ток, индуктивность DC-шины) может потребоваться подбор резисторов затвора, активация или деактивация режима ограничения и настройка уровня срабатывания схемы защиты.

Технические характеристики

На рис. 5 показана блок-схема 3L NPC-инвертора, состоящая из двух частей: голубым цветом выделена печатная плата с разъемами для установки двух драйверов SKYPER 12 (зеленые квадраты) и резисторами затворов RG. Красным цветом обозначена фазная стойка трехуровневого инвертора, схема детектирования напряжения насыщения (VCE desat) и цепь активного ограничения (active clamping).

Блок-схема платы SKYPER 12 (T)MLI Driver Board

Рис. 5. Блок-схема платы SKYPER 12 (T)MLI Driver Board

В соответствии с техническими требованиями плата SKYPER12 (T)MLI Driver Board предназначена для работы в следующих предельных режимах:

  • напряжение DC-шины VDCmax = 1500 В (не более 750 В на каждую «половину» звена постоянного тока);
  • выходное (линейное) напряжение VАСmax = 1000 В;
  • частота коммутации fsw = 30 кГц;
  • температура окружающей среды Ta = 0…+40 °C.

Превышение указанных лимитов может привести к сбою в работе или отказу платы управления. Гальваническая развязка между пользовательским интерфейсом (входной каскад) и высоковольтными цепями (выходные каскады) обеспечивается изолирующим трансформатором драйвера SKYPER12. Длина пути тока утечки по воздуху и изоляции платы составляет 17 мм.

С учетом драйверов SKYPER 12 габариты устройства составляют 96×90×28,5 мм (Д×Ш×В). Для обеспечения надежного электрического контакта на плате управления предусмотрены монтажные отверстия для установки опорных стоек с двойной фиксацией. Более подробная информация дана в техническом описании SKYPER 12 [11].

 

Схема защиты

Термозащита

Встроенный датчик температуры (терморезистор NTC) модуля MLI/TMLI может быть подключен к входу ERROR каналов управления T1 или T4 (внешние ключи, два NTC-сенсора контролируются независимо и одновременно). При достижении заданной температуры (устанавливается резистором на плате управления) транзисторы T1 (T4) отключаются мгновенно, и сигнал ошибки передается из вторичного (высоковольтного) каскада на входную (низковольтную) часть драйвера.

Защита от перегрузки по току

Схема защиты контролирует напряжение насыщения VCEsat на каждом работающем ключе. Как только величина VCEsat превышает заданный уровень (токовая перегрузка), устройство формирует сигнал ошибки, реакция на который зависит от алгоритма работы управляющего контроллера. Драйвер автоматически блокирует определенные IGBT в режиме мягкого отключения (soft-turn-off) через увеличенный резистор затвора.

Пороговое значение VCEsat_th и время блокировки защиты tbl (для исключения ложных срабатываний) задаются резистором RCE и конденсатором CCE (подробности в техническом описании драйвера SKYPER12 [9]). Положение этих элементов типоразмера 0805 выделено желтой рамкой на рис. 6.

Плата SKYPER 12 (T)MLI Driver Board (вид сверху). Подборные элементы выделены цветными рамками

Рис. 6. Плата SKYPER 12 (T)MLI Driver Board (вид сверху). Подборные элементы выделены цветными рамками

Примечание. Выключение внутреннего IGBT (топология 3L NPC) допускается только когда соответствующий внешний транзистор уже заблокирован. В противном случае это может привести к отказу силового модуля.

 

Активное ограничение

Защита IGBT от опасных внешних перенапряжений обеспечивается схемой активного ограничения, сигнал от которой поступает на драйвер. Во время работы этой цепи обратная связь блокирует выходной каскад SKYPER 12, предотвращая поступление импульсов управления на затворы IGBT. По умолчанию диоды-супрессоры (TVS) на плату драйвера не устанавливаются (см. далее раздел «Активное ограничение»).

 

Настройка платы управления

На плате установлены компоненты, предназначенные для адаптации устройства управления к конкретным условиям применения. Подборные элементы выделены цветными рамками на рис. 6, их функции и возможные значения описаны далее.

Регулировка порога термозащиты

Температура силового ключа детектируется встроенным NTC-сенсором модуля MLI/TMLI. При обнаружении тепловой перегрузки срабатывает компаратор (рис. 7) и подает нулевой сигнал на вход ERROR драйвера SKYPER 12, который в свою очередь формирует сигнал неисправности. Резистор R1003/R4003 (выделен коричневой рамкой на рис. 6) используется для установки порога срабатывания термо­защиты.

Схема защиты от перегрева с NTC-сенсором

Рис. 7. Схема защиты от перегрева с NTC-сенсором

Стандартное значение R1003/R4003 — 332 Ом соответствует порогу отключения +115 °С. Защиту от перегрева можно блокировать, для этого резисторы R1000/R4000 и/или R1001/R4003 не устанавливаются, а номинал R1007/R4007 берется заведомо большим (например, 5 кОм). Выбор сопротивления R1003/R4003 производится с помощью графика зависимости RNTC (рис. 8) от температуры. Подобные кривые, а также формулы для расчета даются в технических спецификациях модулей.

Зависимость сопротивления NTC-сенсора от температуры (пример)

Рис. 8. Зависимость сопротивления NTC-сенсора от температуры (пример)

Буферные конденсаторы

Для буферизации отрицательного напряжения питания выходного каскада предназначены конденсаторы С100, С200, С300 и С400 (по 10 мкФ каждый), в цепи положительного напряжения питания установлены С101, С201, С301 и C401 (по 10 мкФ каждый). Эти элементы нужны в случае, когда суммарный заряд затворов модулей (всех четырех ключей) превышает 4 мкКл, при этом пользователь также должен подключить дополнительно 100 мкФ по цепи питания +15 В драйвера. По умолчанию устанавливается восемь буферных конденсаторов.

Резисторы затвора

В драйвере SKYPER 12 предусмотрено место для чип-резисторов (MiniMELF 1206) включения RGon, выключения RGoff и мягкого выключения Rsoft (режим блокировки тока КЗ). Для корректной работы устройства управления все сопротивления затворов должны быть установлены.

Номиналы резисторов и конденсаторов следует выбирать в соответствии с особенностями применения (тип IGBT, напряжение питания, индуктивность DC-шины, частота коммутации, динамические потери и т. д.). На плате имеется три посадочных места для RGon на каждый IGBT (синие рамки на рис. 6), два места для RGoff (оранжевые рамки на рис. 6) и одно место для Rsoft (зеленая рамка на рис. 6).

Схема активного ограничения

На рис. 9 показана типовая схема активного ограничения (Active Clamping), которая подключается к соответствующему входу драйвера. При наличии такой обратной связи драйвер блокирует импульсы управления при активизации цепи.

Схема активного ограничения

Рис. 9. Схема активного ограничения

Резисторы R109, R211, R311 и R409 (отмечены пунктирной зеленой рамкой на рис. 6) могут быть заменены перемычкой (0 Ом), отключающей обратную связь, либо не установлены для повышения чувствительности входа драйвера. Однако если режим ограничения не используется, то перемычку следует установить для улучшения помехозащищенности.

Мониторинг VCEsat

В некоторых случаях для повышения стабильности работы схемы мониторинга VCE_sat полезно добавить конденсатор на вход VCE драйвера. Для этой цели предназначены посадочные площадки под С105, C205, C305, C405 (типоразмер 0805). По умолчанию данные элементы не устанавливаются.

Если режим мониторинга VCE_sat не используется для внутренних ключей T2 и T3 и соответствующие контакты не заземлены на входе инвертора, то он может быть отключен путем установки перемычек (0 Ом) вместо R202 и R302. Мониторинг VCEsat для T1 и T4 блокируется только на силовой секции. По умолчанию R202 и R302 имеют нулевое сопротивление.

Формирование сигнала ошибки

Сопротивление R10 (0805, выделено пунктирной оранжевой рамкой на рис. 6) может отсутствовать или быть заменено перемычкой (0 Ом). Во втором случае (рекомендация SEMIKRON) выходы/входы сигнала ошибки двух драйверов SKYPER 12 оказываются соединенными. Если R10 не установлен, то сигнал с выхода ERROR одного драйвера не будет немедленно поступать на вход ERROR другого драйвера.

Резисторы R15–R16 (0805, выделены пунктирной оранжевой рамкой на рис. 6) выбирают в соответствии с таблицей 1. Эти элементы устанавливают связь каналов ошибки ERROR двух драйверов SKYPER 12. Любые другие комбинации (например, все резисторы = 0 или все резисторы отсутствуют) могут привести к отказу системы.

Таблица 1. Назначение резисторов R15, R16

R15

0

Не установлен

R16

Не установлен

0

Функция

Выходной каскад формирует сигнал ошибки, отключает определенный IGBT и транслирует информацию на входной каскад.

На входе сигнал ERROR поступает на пользовательский интерфейс, но не влияет при этом на второй канал драйвера (решение об отключении IGBT принимает пользователь).

Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Выходной каскад формирует сигнал ошибки, отключает определенный IGBT и транслирует информацию на входной каскад.

На входе сигнал ERROR поступает на пользовательский интерфейс и второй канал драйвера, отключающий IGBT.

 

 

Ограничения, требования, рекомендации

Алгоритм управления

Алгоритмы управления MLI-инвертора подробно рассмотрены в руководстве AN-11001 [2]. Общее правило состоит в том, что внутренние IGBT (T2 или T3) должны включаться первыми, а соответствующие внешние ключи (T1 или T4) спустя некоторое время, когда внутренний IGBT уже полностью открыт. Выключение производится в обратном порядке: запирание T2 (T3) возможно только после полной блокировки T1 (T4).

Соблюдать указанную последовательность формирования импульсов управления рекомендуется в любом случае, особенно при аварийном отключении тока перегрузки и тока короткого замыкания.

При обнаружении режима КЗ (выход IGBT из насыщения) транзистор должен быть блокирован за минимально возможное время (tpsc, максимально допустимое значение указывается в технических спецификациях). Соблюдение рекомендованной последовательности (сначала внешние IGBT, потом внутренние) позволяет исключить возникновение опасных перенапряжений на полупроводниковых ключах.

При индикации неисправности в выходном каскаде (например, выход из насыщения IGBT T1/T4) сигнал ошибки транслируется на вход и далее на пользовательский интерфейс драйвера (вывод 15/17 разъема X10). Одновременно эти транзисторы запираются через большой резистор в режиме мягкого отключения.

  • Если резистор R10 на плате драйвера заменен перемычкой (R10 = 0 Ом), то сигнал ошибки с драйвера T1/T2 (T3/T4) передается на вход ERROR драйвера T3/T4 (T1/T2) и соответствующие IGBT блокируются. Драйвер не может дать команду на включение до тех пор, пока сигнал ошибки присутствует на его входе.
  • Если R10 не установлен (R10 = ∞), то срабатывание схемы защиты одного драйвера не приводит к блокировке IGBT, подключенных к другому драйверу. В этом случае быстрая и адекватная реакция на неисправность является задачей управляющего контроллера.

При отсутствии внешних сигналов неисправности на входе T3 встроенный термодатчик модуля используется для контроля перегрева канала T2. Когда температура достигает порога срабатывания термозащиты, генерируется сигнал ошибки, Т2 мгновенно отключается, и сообщение о неисправности передается на входной каскад.

  • Если резистор R10 на плате драйвера заменен перемычкой (R10 = 0 Ом), то сигнал ошибки с драйвера T1/T2 передается на вход ERROR драйвера T3/T4 и соответствующие IGBT блокируются.
  • Если R10 не установлен (R10 = ∞), то при получении сигнала ошибки пользователь должен принять решение о последующих действиях.

Выключение T2 по термозащите происходит по достижении пороговой температуры, этот момент времени никак не связан с последовательностью управляющих импульсов трехуровневой схемы. Если ключ T2 заблокирован, а Т1 находится во включенном состоянии, то на IGBT Т2 может оказаться слишком высокое напряжение, превышающее его блокирующую способность.

В трехфазных системах нет непосредственной связи по сигналам ошибки между платами драйверов, она обеспечивается пользователем. При обнаружении неисправности в одном из каналов управления критически важна быстрая реакция системы. Этот факт следует учесть при проектировании управляющего контроллера.

Резисторы затворов

Минимальное значение резистора затвора определяется перепадом напряжения управления и нагрузочными характеристиками драйвера. Например, при VGoff = –8 B и VGon = +15 В разница составляет 23 В. С учетом пикового тока SKYPER 12 (20 A) минимальное суммарное сопротивление затвора RGmin = 1,15 Ом. Эта величина состоит из внутреннего RGint (приводится в технической спецификации) и внешних резисторов RGon и RGoff.

RGon,min = RGoff,min = 1,15 Ом – RGint

Если в результате получается отрицательное значение, то дополнительные резисторы можно не устанавливать (RGon = RGoff = 0), поскольку пиковый ток драйвера не будет превышен.

При выборе величины RG 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 «коллектор-эмиттер» IGBT осуществляется выбором типа и количества последовательных диодов-супрессоров (TVS). Для этой цели следует использовать TVS с одинаковым напряжением пробоя Vbr. Установка диодов с разными параметрами или замыкание части из них может повлиять на общие изоляционные свойства системы.

Полное напряжение пробоя (сумма Vbr последовательных супрессоров) с учетом всех допусков должно быть ниже блокирующей способности IGBT. С другой стороны, 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.

Частота коммутации

Максимальная частота переключения определяется параметрами используемых силовых модулей (в частности, зарядом затвора Qg),
а также нагрузочными характеристиками драйвера SKYPER 12. Дополнительную информацию по расчету рабочей частоты можно найти в руководстве AN-7004 [8].

 

3L-инвертор на базе модулей SEMITOP E2

Описанное выше устройство управления было использовано при разработке прототипа трехфазного инвертора (SEMITOP E2 1200V MLI Inverter Board) на базе модулей 12-го класса SEMITOP E2. Драйверы SKYPER 12 (T)MLI Driver Board установлены на плату инвертора, один управляет ключами Т1 и Т2, другой — Т3 и Т4. Силовая стойка выполнена по «разделенной» схеме, включающей два модуля IGBT SEMITOP E2: в корпусе MLIT размещены элементы T1, D1, T2, D2 и D5, в корпусе MLIB — T3, D3, T4, D4 и D6 (рис. 10).

Силовая секция «разделенного» 3L-инвертора (сверху), модуль SEMITOP E2 (снизу)

Рис. 10. Силовая секция «разделенного» 3L-инвертора (сверху), модуль SEMITOP E2 (снизу)

Инвертор содержит цепи активного ограничения для защиты от перенапряжения по всем IGBT.

Мониторинг напряжения насыщения VCEsat осуществляется схемой защиты от перегрузки по току драйвера T1 и T4.

Все шесть модулей имеют встроенный термодатчик NTC, таким образом температура контролируется во всех критических зонах инвертора.

Верхняя и нижняя половины «разделенной» 3L-секции сформированы модулями 12-го класса с номинальным током 150 А: SK150MLIT12F4TE2 и SK150MLIB12F4TE2. Печатная плата 3L-инвертора получила название SEMITOP E2 1200V MLI Inverter Board (номер для заказа 45137502), на ней расположены три коннектора для установки плат инверторов SKYPER12 (T)MLI Driver Boards, шесть коннекторов для силовых модулей (по три на верхнюю и нижнюю половину силовой секции), а также DC- и AC-терминалы.

В зависимости от выходной мощности и условий эксплуатации (напряжение, ток, индуктивность DC-шины) может потребоваться подбор резисторов затвора, регулировка цепей активного ограничения и пороговых уровней схемы защиты.

Верхняя сторона платы инвертора, DC- и АС-подключения

Рис. 11. Верхняя сторона платы инвертора, DC- и АС-подключения

Плата инвертора имеет размеры 300×330 мм, с учетом модулей SEMITOP E2 высота составляет 60 мм. Некоторые компоненты могут быть изменены пользователем для адаптации к условиям применения. На рис. 11 показаны подключения к DC-источнику и элементы трех фазных стоек, выделенные пунктирными рамками (оранжевая, красная и зеленая). Одна из них более подробно рассмотрена на рис. 12.

Верхняя сторона платы драйвера, подборные элементы выделены рамками

Рис. 12. Верхняя сторона платы драйвера, подборные элементы выделены рамками

Положения всех элементов фаз U, V и W одинаковы, отличаются (на единицу) только позиционные обозначения. Например, X201 — это модуль верхней половины фазы U; X301 — соответствующий модуль фазы V, X401 — фазы W. Также на рисунке показана область подключения платы управления SEMIKRON SKYPER12 (T)MLI Driver к инвертору (пунктирная фиолетовая рамка).

Интерфейсы силовых DC- и AC-цепей выполнены в виде контактных площадок, предназначенных для монтажа концевика кабеля с помощью винта M6 и шайбы, обеспечивающей плоскостной контакт между кабелем и соответствующей зоной РСВ.

Цепь активного ограничения

На рис. 9 показана цепь активного ограничения, реализованная на плате инвертора. Резистор, выделенный оранжевым цветом на рис. 9 и 12 (MiniMELF, 1 Ом), ограничивает ток заряда затвора при активации схемы. Четыре SMB-площадки на каждый ключ предназначены для установки TVS-диодов (выделены зеленой рамкой на рис. 12, по умолчанию не устанавливаются). При их отсутствии необходимо заблокировать вход Active Clamping на плате SKYPER12 (T)MLI Driver Board.

 

Перечень элементов

Устройство управления протестировано в составе макета 3L-инвертора «разделенной» конфигурации с силовыми модулями SEMITOP E2 (SK150MLIT12F4TE2 и SK150MLIB12F4TE2), перечень использованных элементов приведен в таблице 2.

Таблица 2. Перечень элементов, использованных в устройстве управления MLI Inverter Board

Наименование

Обозначение, номинал

Плата инвертора SEMITOP E2 1200V MLI Inverter Board

45137502_02

Плата драйвера SKYPER12 (T)MLI Driver Board

45137601_02

SKYPER12

 

RGon = RGoff

1,65 Ом

RSoft

5,1 Ом

Цепь активного ограничения

4×TVS (Vbr = 170 В) последовательно

RCE

7,5 кОм (T1, T4); n.c. (T2, T3)

CCE

820 пФ

Rtemp,th

332 Ом

При температуре окружающей среды +40 °C инвертор способен работать в длительном режиме с любым коэффициентом мощности при Vdc = 1500 В и выходном токе до 75 A. Устройство успешно протестировано в режиме короткого замыкания 1-го и 2-го рода. Цепь активного ограничения на IGBT T2 и T3 настроена на напряжение VCE = 1000–1100 В. Плата SKYPER12 (T)MLI Driver Board прошла проверку изоляции и тест на частичный разряд. Все испытания проводились с элементами, указанными в таблице 2, однако сопротивления затворов могут быть адаптированы для конкретных режимов применения.

 

Драйвер для 3L-инвертора на базе SEMITRANS 10 (Prime Pack)

Для наиболее мощных версий центральных инверторов разработана плата управления модулями SEMITRANS10 (ST10) 1200V MLI (конструктив Prime Pack). Устройство, названное SEMITRANS10 MLI Driver Board, способно управлять трехуровневым инвертором с «разделенной» схемой при напряжении DC-шины до 1500 В на частоте до 30 кГц.

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, блокирующего остальные транзисторы. Наличие цепи активного ограничения позволяет безопасно выключать IGBT в любой момент времени без использования специальных алгоритмов отключения.

Верхняя и нижняя части разделенного инвертора построены на модулях 12-го класса с номинальным током 1200 А (SKM1200MLI12TE4 и SKM1200MLI12BE4, рис. 13).

Плата SEMITRANS10 MLI Driver Board и модули SEMITRANS 10

Рис. 13. Плата SEMITRANS10 MLI Driver Board и модули SEMITRANS 10

На плате SEMITRANS 10 MLI Driver Board (номер для заказа 45136402) установлены резисторы затворов, схема ограничения и другие необходимые элементы. Плата монтируется на сигнальные выводы модулей SEMITRANS10, имеет коннекторы для установки драйверов SKYPER42 LJ и разъем подключения 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.

Блок-схема и электрические характеристики

Блок-схема устройства (рис. 14) состоит из двух частей: голубым цветом выделена плата с разъемами для SKYPER42 LJ (зеленые прямоугольники), резисторами затворов, цепью ограничения, схемой термозащиты и мониторинга VCEsat. Силовые модули трехуровневого каскада выделены красным цветом.

Блок-схема фазной стойки «разделенного» 3L-инвертора на базе модулей SEMITRANS10 MLI

Рис. 14. Блок-схема фазной стойки «разделенного» 3L-инвертора на базе модулей SEMITRANS10 MLI

В соответствии с техническими требованиями плата SEMITRANS10 MLI Driver Board предназначена для работы в следующих предельных режимах:

  • напряжение DC-шины VDCmax = 1500 В (не более 800 В на каждую «половину» звена постоянного тока);
  • выходное (линейное) напряжение VАСmax = 1000 В;
  • частота коммутации fsw = 30 кГц;
  • температура окружающей среды Ta = 0…+40 °C.

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.

Схема защиты

Встроенные NTC-датчики модулей SEMITRANS10 связаны с входами формирования сигнала ошибки драйверов T1 и T4. При достижении пороговой температуры (устанавливается пользователем) транзистор T1 (T4) 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 VCE_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. 15, их назначение описано далее.

Верхняя сторона платы, подборные элементы выделены рамками

Рис. 15. 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. 16). Тепловая перегрузка верхнего модуля инвертора выключает IGBT Т1, при перегреве нижнего модуля блокируется IGBT Т4. Для настройки порога термозащиты предназначены резисторы R143 и R443 (выделены коричневой рамкой на рис. 15).

Схема термозащиты

Рис. 16. Схема термозащиты

Стандартное значение R143 и R443 — 332 Ом соответствует порогу отключения +115 °С. Защиту от перегрева можно блокировать, для этого резисторы R140, R141, R440 и R441 не устанавливаются. Выбор сопротивления R143, R443 (типоразмер 0805) выполняется с помощью графика зависимости RNTC от температуры (рис. 8). Подобные кривые, а также формулы для расчета даются в технических спецификациях SEMITRANS 10.

Термозащита отключает внешние IGBT Т1 или Т4 в произвольные моменты времени. Удаление R140, R141, R440 и R441 позволяет пользователю реализовать раздельный мониторинг температуры по ключам и блокировать их в безопасной последовательности.

Резисторы затвора

На контактной плате монтируются затворные резисторы включения (RGon), выключения (RGoff) и мягкого выключения (Rsoft) 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 сопротивления RGon предусмотрено четыре посадочных места (голубая рамка на рис. 15), для RGoff — пять посадочных мест (оранжевая рамка на рис. 15), для Rsoft — два посадочных места (зеленая рамка на рис. 15). 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. 15). 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 может быть использована для установки конденсатора CGE. Кроме того, на плате имеется два посадочных места MiniMELF или 1206 для монтажа эмиттерных резисторов IGBT.

Активное ограничение

Схема активного ограничения показана на рис. 9. Для размещения TVS-диодов предназначены четыре площадки размера SMB на каждый IGBT (V60–V63, V70–V73, V80–V83 и V90–V93, пунктирная коричневая рамка на рис. 15). На схеме также показан резистор для ограничения тока заряда затворной емкости и TVS-диод для защиты затвора от перенапряжений. Как
и в предыдущих случаях, сигнал обратной связи подается на вход драйвера для подавления импульсов управления в режиме ограничения.

Мониторинг VCEsat

На рис. 17 показана схема мониторинга напряжения насыщения VCEsat IGBT с цепью фильтрации (конденсатор фильтра выделен зеленой пунктирной рамкой на рис. 15). Подобный фильтр особенно полезен для предотвращения ложных срабатываний защиты от перегрузки на внутренних IGBT (T2 и T3). Смысл состоит в том, что включение Т1 производится только тогда, когда Т2 открыт и время блокировки tbl этого ключа уже закончилось. Высокая скорость изменения тока di/dt (например, при емкостной нагрузке) может привести к образованию всплеска напряжения в сигнале VCE T2 и, как следствие, к паразитному включению схемы DESAT. Сказанное справедливо и для IGBT T3/T4.

Фильтрация сигнала VCE

Рис. 17. Фильтрация сигнала VCE

Схема контроля ошибки

Сопротивление R10 (0805, выделено пунктирной фиолетовой рамкой на рис. 15) может отсутствовать или быть заменено перемычкой (0 Ом). Во втором случае (рекомендация SEMIKRON) выходы/входы сигнала ошибки двух драйверов 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. 15) выбирают в соответствии с таблицей 3. 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.

Таблица 3. Назначение резисторов R15, R16 (R17, R18 по каналам Т3 и Т4)

R15 (R17)

0

Не установлен

R16 (R18)

Не установлен

0

Функция

Драйвер формирует сигнал ERROR при поступлении информации об ошибке с выходного каскада, но IGBT не блокируется.

Драйвер не реагирует на внешний сигнал ERROR и остается в предыдущем состоянии до отключения входным ШИМ-импульсом (при наличии еисправности используется резистор Rsoft).

Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует включение драйвера.

Драйвер формирует сигнал ERROR и немедленно блокирует IGBT через резистор Rsoft при поступлении информации об ошибке с выходного каскада.

При подаче внешнего сигнала ERROR драйвер отключает оба IGBT.

Непрерывная подача сигнала ERROR блокирует включение драйвера.

Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Таблица 4. Назначение резисторов R19, R20 (каналы Т3 и Т4) и R21, R22 (каналы Т1 и Т2)

R19 (R21)

0

Не установлен

R20 (R22)

Не установлен

0

Функция

Функция Interlock блокирована, Т3 и Т4 могут включаться одновременно.

Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

Функция Interlock активна, время блокировки составляет 2 мкс.

Защитные функции SKYPER 42LJ

Если входы и выходы ERROR драйверов соединены между собой (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 при необходимости блокирует 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 элементов R30–R33 (типоразмер 0805, выделены красной пунктирной рамкой на рис. 15) описано в таблице 5. 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.

Таблица 5. Назначение резисторов R30, R31 (входной фильтр по каналам Т3 и Т4) и R32, R33 (входной фильтр по каналам Т1 и Т2)

R30 (R32)

0

Не установлен

R31 (R33)

Не установлен

0

Функция

Установлен цифровой входной фильтр.
Время фильтрации 375 нс, типовое время задержки 0,7 мкс, джиттер — 30 нс во всем диапазоне температур.

Установлен аналоговый входной фильтр. Время фильтрации 180 нс, типовое время задержки
0,4 мкс, джиттер — 2,5 нс.

Настройка по умолчанию (рекомендуемая)

 

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 6.

Таблица 6. Установки в режиме детектирования КЗ

R10 = 0

Установлена связь сигналов ошибки SKYPER 42 LJ

R42 = R47 = 0

Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой

R16 = R18 = 0

См. таблицу 3

R19 = R21 = 0

См. таблицу 4

RSoft = RGoff

Резистор режима плавного отключения должен иметь значение RGoff для отключения IGBT
без задержки в случае КЗ

C1202 = C1392 = 2,2 нФ

Фильтрующие емкости входа мониторинга напряжения насыщения

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. Супрессоры TVS обычно требуются на внутренних IGBT для их защиты от перенапряжения из-за длинной цепи коммутации (большая реактивная мощность). Необходимые установки приведены в таблице 7.

Таблица 7. Установки без режима детектирования КЗ

R10 = х

Резистор м.б. не установлен или заменен перемычкой

R42 = R47 = 0

Входы и выходы ERROR драйверов SKYPER 42 LJ соединены между собой

R15 = R15 = 0

См. таблицу 3

R19 = R21 = 0

См. таблицу 4

R1102 = R1402 = 0

Отключено активное ограничение на Т1 и Т4

C1102 = C1202 = C1302 = C1402 = 0

Установка перемычки вместо конденсаторов отключает мониторинг VCEsat

RSoft = RGoff

Сопротивление определяется параметрами схемы.

Если состояние перегрузки детектируется в выходном каскаде (управляющем Т1 или Т4), сигнал ошибки транслируется на вход (вывод 15 разъема Х10). При этом драйвер не блокирует IGBT.

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 RG определяется перепадом напряжения управления при коммутации и нагрузочными характеристиками драйвера. Например, при VGon/off = +15/–8 В разница составляет 23 В. С учетом пикового тока SKYPER 42LJ (20 A) минимальное суммарное сопротивление затвора RGmin = 1,15 Ом. Эта величина состоит из внутреннего RGint двух модулей (приводится в технической спецификации), эмиттерных сопротивлений и внешних резисторов затвора RGon и RGoff. Они могут иметь нулевое значение, поскольку RGint = 1,4 Ом.

При выборе величины RG 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 четырех последовательных SMB-супрессоров (TVS). Рекомендуется использование TVS с одинаковым напряжением пробоя, суммарное значение Vbr 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 Driver Board протестировано в составе макета 3L-инвертора «разделенной» конфигурации с силовыми модулями SEMITRANS 10 (SKM1200MLI12TE4 и SKM1200MLI12BE4), перечень использованных элементов приведен в таблице 8.

Таблица 8. Перечень элементов прототипа трехуровневого инвертора

Элемент

Значение для Т1 и Т4

Значение для Т2 и Т3

RGon

0

0

RGoff

2 Ом

5 Ом

RSoft

2 Ом

5 Ом

CGE

CFilter

2,2 нФ

Active Clamping

4×SMBJ170 или 4× SMBJ188 (в зависимости от VDC)

RCE

10 кОм (R1100, R1101, R1400, R1401)

10 кОм (R1200, R1201, R1300, R1301)

СCE

820 пФ (С1102, С1402)

820 пФ (С1202, С1302)

Rtemp_th

332 Ом (R143, R443)

 

Заключение

Концепция трехуровневого преобразователя, несмотря на кажущуюся сложность, имеет очевидные технические преимущества в высоко­частотных схемах и в преобразователях с высокими требованиями к качеству выходного сигнала. На рис. 18 показана зависимость мощности, рассеиваемой в одном плече инвертора, от частоты переключений fsw. В качестве референтного выбрано значение fsw, находящееся выше порога слышимости (20 кГц).

Зависимость рассеиваемой мощности от частоты для 2L- и 3L-схем

Рис. 18. Зависимость рассеиваемой мощности от частоты для 2L- и 3L-схем

В низковольтном диапазоне применительно к таким устройствам, как, например, UPS, трехуровневая схема оказывается предпочтительнее и с экономической точки зрения, поскольку общая стоимость 600-В специализированных силовых ключей примерно на 25% ниже, чем трех стандартных полумостов 12-го класса. Кроме того, применение компонентов в конфигурации MLI упрощает конструкцию соединительных шин и всего инвертора.

Главными достоинствами трехуровневой топологии являются низкий уровень потерь, а также близкая к синусоидальной форма выходного сигнала. Меньшее значение рассеиваемой мощности, в свою очередь, означает пониженные требования к системе охлаждения и больший срок службы силовых модулей. Применение специализированных IGBT позволяет создавать компактные устройства, отличающиеся хорошими техническими и экономическими показателями.

Для решения проблем, связанных с вычислениями потерь трехуровневого конвертера с фиксированной нейтралью, схема 3L NPC включена в программу теплового расчета SEMISEL.

Гербер-файлы для самостоятельного изготовления описанных выше плат можно запросить в центре технической поддержки SEMIKRON в Санкт-Петербурге. 

Литература
  1. Pluschke N., Grasshoff T. More efficiency for 3-level inverters. SEMIKRON International, 2009.
  2. Staudt I. 3L NPC & TNPC Topology. SEMIKRON Application Note, AN-11001 — rev.05, 2015.
  3. Колпаков А. SEMISEL 3.1 — новые возможности, новые перспективы // Силовая электроника. 2008. № 3.
  4. Колпаков А. Трехуровневые инверторы: специализированные модули и тепловой расчет // Компоненты и технологии. 2011. № 5.
  5. Nicolai U. SKYPER 12 (T)MLI Driver Board. Technical Explanation. SEMIKRON, 2018.
  6. Rabl I., Nicolai U. SEMITOP E2 1200V MLI Inverter Board. Technical Explanation. SEMIKRON, 2018.
  7. Hermwille M. Gate Resistor — Principles and Applications. SEMIKRON Application Note, AN-7003 — rev.00, 2007.
  8. Hermwille M. IGBT Driver Calculation. SEMIKRON Application Note, AN-7004 — rev.00. Nuremberg, 2007.
  9. Krapp J. Technical Explanation SKYPER12 — rev.5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017.
  10. Agostini R. Technical Explanation SEMITOP — rev.5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017.
  11. semikron.com

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

hentao pornnporn.com telugu chatting west indies open sex youpornhindi.com first night xxnx maja mallika tamil dirty story xxxfiretube.com teen xxnx xxxxu indianpornsearch.com pooja kumar sex 喉奥性感イラマ痴女 浜崎真緒 javsextube.com 君嶋真由 i love porn sexxxymovs.com mallusexvideos tomcat doujinshi bluhentai.com tiny boobs giant tits history sequel black dog hentai mobhentai.com hentai onee chan jammu blue film indiananalfuck.com indian incest xvideos mugen fc2 javwhores.mobi 巨乳 あげ افلام نيك مترجم cyberpornvideos.com طيذ momteachessex indianxxxonline.com house wife x videos 君嶋真由 freejavonline.mobi クローゼット 寝取られ sexx tamil indianfuckass.com bengali milf mia khalifa hard fuck pelisporno.org newsexstory