Силовая электроника для солнечной энергетики и не только.
Часть 2. Защита от перегрузки в трехуровневых инверторах
Особенности 3L-топологии
Наиболее распространенными вариантами 3L-топологии являются NPC и TNPC (рис. 1). Каждая из этих схем содержит четыре IGBT на фазу и, соответственно, нуждается в четырех независимых каналах управления.
Схема управления 3L-инвертором может быть разработана с применением стандартных одноканальных или полумостовых драйверов затворов. Например, выпускаемые SEMIKRON платы SKYPER42LJ и SKYPER12 подходят для работы в трехуровневых схемах благодаря возможности настройки режима мониторинга короткого замыкания. На рис. 2 показаны способы подключения двухканальных драйверов к силовым ключам в фазной стойке инвертора NPC. Сказанное относится и к TNPC, поскольку в обеих топологиях используются аналогичные алгоритмы управления. Возможные варианты схемы:
- драйвер 1 контролирует IGBT T1 и T2, драйвер 2 — IGBT T3 и T4;
- драйвер 1 контролирует внешние IGBT, драйвер 2 — внутренние IGBT;
- драйвер 1 контролирует IGBT T1 и T3, драйвер 2 — IGBT T2 и T4.
В вариантах a и б должна быть предусмотрена возможность блокировки функции Interlock, запрещающей одновременное включение IGBT в стойке полумоста.
В трехуровневой схеме ключи T1 и T3 коммутируются в противофазе, и между их включением и выключением необходима пауза или «мертвое время» Tdt. Поэтому стандартный полумостовой драйвер, имеющий функцию Interlock и генерирующий время задержки Tdt, можно использовать для варианта в. При этом не требуется формирования «мертвого времени» управляющим контроллером. То же самое относится к IGBT T2 и T4.
Особенности управления трехуровневым преобразователем
Топология NPC
Для защиты IGBT от перенапряжения внешние транзисторы должны выключаться раньше, чем внутренние. При этом ток перекоммутируется на диод D5 или D6, в результате чего напряжение на IGBT ограничивается на уровне VDC/2. Процессы коммутации для положительного направления тока показаны на рис. 3, аналогично все происходит и при отрицательном токе. Однако если IGBT T2 выключен, а IGBT T1 включен, ток переходит на диоды D3 и D4 и полное напряжение VDC прикладывается к T2. Если оно превышает блокирующую способность IGBT, модуль может выйти из строя.
Топология ТNPC
Аналогично предыдущему случаю в схеме TNPC внешние IGBT должны отключаться раньше внутренних. Как показано на рис. 4, ток коммутируется с T1 на D3 и T2. Если, однако, T2 заблокируется раньше, чем T1, то ток переключится на D4, а не на горизонтальную ветвь D3, T2. Процесс коммутации становится таким же, как в двухуровневом инверторе, однако пик перенапряжения выше, поскольку контур коммутации длиннее и к транзисторам прикладывается полное напряжение питания.
Пиковое напряжение IGBT
Топология NPC
Схема NPC имеет два различных контура прохождения тока, которые называются «короткий» и «длинный», что отражает их физическую протяженность. На рис. 5 показаны цепи, задействованные при положительном направлении тока, контур коммутации обозначен зеленым прямоугольником. При генерации активной мощности (Iout > 0 и Vout > 0) работает короткая цепь, при генерации реактивной мощности (Iout > 0, Vout< 0) — длинная.
Очевидно, что паразитная индуктивность и соответствующее коммутационное перенапряжение в длинном контуре выше, чем в коротком. Для снижения амплитуды пиковых сигналов можно изменить номинал резисторов затворов или использовать так называемый режим активного ограничения. Эффективность первого решения невелика, поскольку в современных IGBT скорость отключения контролируется резистором затвора в очень ограниченном диапазоне [4].
Схема активного ограничения (рис. 6) содержит линейку импульсных стабилитронов, подключенных между коллектором и затвором, соответственно уровень ограничения определяется суммарным напряжением пробоя VZener. Если в процессе отключения транзистора VCE превышает VZener, стабилитроны начинают проводить ток, и напряжение на затворе растет до тех пор, пока VCE не уменьшится ниже заданного значения.
Топология ТNPC
В схеме TNPC длина внешнего и внутреннего контуров коммутации одинакова (рис. 7). Блокирующее напряжение IGBT в горизонтальной ветви (T2, T3) обычно выбирают меньшим, чем в вертикальной ветви (T1, T4), для снижения статических потерь.
Пример: VDC_max = 1000 В.
Транзисторы T1/T4 (и антипараллельные диоды) имеют рабочее напряжение 1200 В (VCE – VDC = 200 В).
Транзисторы T2/T3 (и антипараллельные диоды) имеют рабочее напряжение 650 В (VCE – VDC = 150 В).
Схема активного ограничения, как правило, используется для защиты IGBT в горизонтальной ветви TNPC.
Сценарии короткого замыкания инвертора
Рассматриваются два возможных сценария возникновения тока КЗ.
- Короткое замыкание вне системы (рис. 8). Предполагается, что инвертор имеет датчик тока и индуктивность в АС-цепи на выходе каждой фазы.
- Короткое замыкание внутри инвертора (до АС-индуктивности, рис. 9). Ток не контролируется датчиком, di/dt не ограничивается индуктивностью AC-цепи. Это отказ самой системы: например, пробой изоляции между токонесущими шинами.
В обоих случаях следует различать межфазное замыкание и КЗ между фазой и DC-шиной. Для объяснения первого события на рис. 8 и 9 показаны две фазы инвертора, второй вариант объясняется на примере только одной фазы. Рассматривается топология NPC, однако все сказанное относится и к TNPC.
КЗ на выходе инвертора
В этом случае датчик тока находится в контуре короткого замыкания. При достижении порога перегрузки транзисторы выключаются в определенной последовательности: сначала внешние IGBT, потом внутренние. Силовые ключи должны быть заблокированы до выхода из насыщения, что требует быстрой реакции как токового сенсора, так и схемы защиты.
Положительный фактор первого сценария состоит в том, что скорость нарастания тока ограничена дросселем на АС-выходе. Если рассматривать только такой вид перегрузки, то IGBT вообще не нуждаются в детектировании состояния КЗ. Однако если ток возрастает до выхода транзистора из насыщения, например из-за медленной реакции схемы защиты, то данный случай следует анализировать отдельно.
Выход из насыщения IGBT (в англоязычной литературе: Desaturation) обычно происходит на токах, в 3–8 раз превышающих номинальное значение IC. Результатом этого может стать тепловой пробой силовых кристаллов, подробно об этом явлении в [2]. Детальное описание работы динамической защиты от короткого замыкания (Dynamic short circuit protection) дано в руководствах по применению драйверов [5, 6].
КЗ внутри инвертора
В этом случае перегрузка не определяется токовым сенсором. Ток нарастает до выхода IGBT из насыщения, это состояние детектируется схемой динамической защиты драйвера. Если короткое замыкание происходит близко к силовому модулю (индуктивность в цепи КЗ очень низкая), то скорость нарастания тока может достигать нескольких кА/мкс. Подобная ситуация допустима для IGBT, в спецификации которых указано максимальное время (tpsc) и допустимые режимы КЗ.
Как показано на рис. 9, при межфазном замыкании ток всегда проходит через один из внешних ключей. Если в контуре коммутации задействованы только внутренние IGBT, ток КЗ не возникает, поскольку работают лишь цепи, связанные с N-потенциалом.
При замыкании фазы на DC-шину существует возможность того, что в контуре задействован только один внутренний транзистор.
Еще одним возможным сценарием короткого замыкания является одновременное включение нескольких IGBT (например, T2, T3 и T4) из-за ошибки устройства управления. Если напряжение питания превысит блокирующую способность IGBT, то транзистор, который откроется последним (например, T1), будет выведен из строя. Для исключения этого опасного состояния используется режим активного ограничения.
Защита от короткого замыкания
При возникновении перегрузки на выходе преобразователя информации с датчика тока в каждой фазе, как правило, достаточно для надежного срабатывания схемы защиты. Далее мы рассмотрим более жесткие сценарии перегрузки инвертора.
Защита от межфазного замыкания
Поскольку ток короткого замыкания всегда протекает через один из внешних IGBT, можно детектировать перегрузку только на этих ключах. При обнаружении состояния КЗ транзистор немедленно блокируется в режиме Soft-Off через резистор затвора с величиной, в несколько раз превышающей номинальное сопротивление RGoff. Это позволяет снизить перенапряжение на IGBT до приемлемого уровня. Ток при этом перекоммутируется с внешнего транзистора на диоды D5 или D6.
Сигнал ошибки, генерируемый драйвером, подается на управляющий контроллер, который в свою очередь должен отключить внутренний IGBT за время, не превышающее tpsc. Для защиты внутренних транзисторов от перенапряжения при выключении требуется схема активного ограничения. Внутренний ключ не должен мгновенно блокироваться после обнаружения состояния КЗ на внешнем транзисторе. Для реализации безопасной последовательности отключение внутреннего IGBT производится только после того, как ток IGBT переходит на диод D5 или D6. Сказанное необходимо учитывать при выборе драйвера и алгоритма обработки сигналов ошибки.
На рис. 10 показана временная диаграмма детектирования состояния КЗ для положительного направления тока. Аналогичный алгоритм используется в схеме TNPC. При обнаружении короткого замыкания транзистора Т1 он выключается в мягком режиме Soft-Off. Ток переключается на D3 и IGBT T2, который в свою очередь блокируется через номинальный резистор RGoff при высоком токе, и поэтому между его коллектором и затвором установлена цепь активного ограничения. Подробное объяснение режима Soft-Off дано в [5, 6].
Описанный алгоритм защиты реализован в разработанной SEMIKRON плате управления 3L-модулем SEMiX5 (топологии TNPC и NPC, рис. 11 и 12). В устройстве использовано два полумостовых цифровых драйвера SKYPER12 — один для управления T1, T2, другой — T3, T4. Оба работают в режиме NPC, при индикации неисправности они выключаются и формируют сигнал ошибки, но вторичный каскад, расположенный на адаптерной плате, продолжает действовать.
Защита от замыкания между фазами и между фазой и DC-шиной
Для организации комплексной защиты в таких случаях необходим мониторинг состояния КЗ на внешних и внутренних IGBT. Любое замыкание между фазами, а также между фазой и DC-цепью должно быть прервано мгновенно. Если перегрузка произошла на внешнем транзисторе, то выключение выполняется в соответствии с алгоритмом, описанным в предыдущем разделе.
При обнаружении КЗ на внутренних IGBT транзисторы не блокируются. Драйвер формирует сигнал ошибки, поступающий на управляющий контроллер, который закрывает внешние IGBT, если они находились во включенном состоянии. Как только ток от транзистора перекоммутируется на диоды D5/D6, внутренние транзисторы блокируются. Последовательность выключения определяется управляющим контроллером, состояние короткого замыкания должно прерываться в течение tpsc. Внешние ключи закрываются драйвером через номинальный резистор затвора Rgoff.
На рис. 13 показана временная диаграмма мониторинга перегрузки внутреннего IGBT при положительном направлении тока. В этом режиме транзистор не блокируется при обнаружении короткого замыкания, драйвер только формирует сигнал ошибки. Выключение IGBT производится в режиме Soft-Off при окончании следующего импульса управления, что позволяет избежать возникновения перенапряжения. Такой алгоритм защиты реализован в плате управления 2//SEMiX 5 в конфигурациях TNPC и NPC.
Параллельное соединение двух модулей SEMiX 5 на фазу обеспечивает выходную мощность инвертора около 250 кВт (рис. 14, 15). Ими управляют два драйвера SKYPER42 LJ, которые с помощью перемычек могут быть установлены в режим 2-L или MLI. Описанный ранее прототип MLI инвертора не нуждается в активном ограничении благодаря достаточному запасу по напряжению, в то время как в варианте TMLI цепочка ограничивающих диодов-супрессоров устанавливается на плате адаптера для защиты внутреннего IGBT. Его драйвер работает в режиме NPC, а плата управления внешним транзистором — в двухуровневом режиме. При обнаружении состояния КЗ IGBT отключается в режиме Soft-Off.
Оптимальным считается вариант защиты, когда все IGBT имеют схему детектирования короткого замыкания и активного ограничения напряжения на коллекторе. В этом случае каждый транзистор может быть мгновенно блокирован без соблюдения конкретной последовательности. При появлении сигнала ошибки на одном IGBT все остальные выключаются немедленно. В таком режиме можно использовать стандартные двухуровневые драйверы. Недостатком этого решения является необходимость в установке большого количества защитных супрессоров, что требует дополнительного места на печатной плате драйвера и увеличивает его стоимость. Описанный вариант защиты реализован в прототипе 3L-инвертора SEMITRANS 10 NPC (рис. 16).
Специализированные драйверы 3L-инверторов
В конфигурации TNPC только один IGBT находится в состоянии проводимости при коротком замыкании, тогда как в инверторе NPC в состоянии перегрузки будут находиться два последовательных ключа, поэтому организация защиты от КЗ в таком случае сложнее. При использовании одинаковых транзисторов оба могут выйти из насыщения одновременно. Это крайне нежелательно, поскольку IGBT в ненасыщенном состоянии имеют высокий коэффициент усиления (малое изменение напряжения на затворе приводит к большому изменению тока коллектора), что создает условия для развития автоколебаний, перегрева и разрушения кристаллов. Ниже описаны способы предотвращения аварийных ситуаций.
- Выход из насыщения можно исключить, если ситуация КЗ внутри инвертора невозможна.
- Все четыре IGBT имеют режим активного ограничения и схему детектирования КЗ. В аварийном режиме транзисторы немедленно блокируются.
- Все четыре IGBT имеют режим активного ограничения, но схема детектирования КЗ организована только для внешних ключей (рис. 17а). Кроме того, внутренние транзисторы управляются более высоким напряжением на затворе, чем внешние (например, 17 В). Это гарантирует, что «внешние» IGBT первыми выходят из насыщения. Недостатком такого решения является то, что при замыкании цепей AC и DC, в котором внешний ключ не участвует, ток КЗ внутреннего ключа резко увеличивается из-за повышенного напряжения. При этом для исключения теплового пробоя IGBT должны быть блокированы за время, меньшее tpsc.
- Все четыре IGBT имеют режим активного ограничения, но схема детектирования КЗ организована только для внутренних ключей (рис. 17б). Кроме того, внешние транзисторы управляются более высоким напряжением на затворе, чем внутренние (например, 17 В). Это гарантирует, что внутренние IGBT первыми выходят из насыщения. В данном случае детектируются все сценарии перегрузки. При обнаружении короткого замыкания внутренние транзисторы выключаются и формируется сигнал ошибки, после чего сразу блокируются внешние ключи. Схема активного ограничения защищает транзисторы от перенапряжения, даже если внутренний IGBT выключается раньше внешнего.
Иногда для формирования безопасной последовательности выключения рекомендуется использовать различные пороги детектирования напряжения насыщения (VCEsat) и разное время блокировки (tbl) для внутреннего и внешнего IGBT. Однако на практике этот метод обычно не используется, поскольку допуски параметров компонентов оказывают большее влияние, чем допустимая разница параметров VCEsat и tbl.
Заключение
В статье описаны способы защиты IGBT от аварийных режимов, реализуемые в платах управления инверторами NPC и TNPC. Общее правило состоит в том, что для исключения перегрузки IGBT по напряжению внешние транзисторы должны выключаться раньше, чем внутренние. В ряде случаев, для подавления пиковых коммутационных всплесков, на внутренних IGBT устанавливаются цепи активного ограничения. В топологии TNPC это связано с меньшим запасом по допустимому напряжению, в NPC — с более высокой индуктивностью в длинной цепи коммутации. В схеме TNPC проще реализовать защиту от КЗ, поскольку в каждый момент времени в проводящем режиме находится только один IGBT. Инвертор NPC сложнее защитить от перегрузки, так как ток проводят два последовательных IGBT, и при КЗ они одновременно могут выйти из насыщения.
Мониторинг напряжения насыщения только на внешних IGBT позволяет обнаружить межфазное замыкание, но не КЗ между фазой и «землей». Привлекательность этого решения состоит в простоте его реализации, кроме того, оно гарантирует безопасную последовательность выключения транзисторов в 3L-схеме. При использовании такой концепции, как правило, устанавливают цепь активного ограничения на внутренних IGBT.
Для комплексной защиты от замыкания любых цепей необходим мониторинг VCEsat у всех ключей. При подаче разного напряжения управления на затворы внутренних и внешних IGBT схемы NPC достаточно детектировать напряжение насыщения только на двух транзисторах, поскольку последовательность отключения здесь определена.
Если цепь активного ограничения установлена на всех IGBT, их можно блокировать сразу после обнаружения состояния КЗ. В этом случае не требуется соблюдать определенную последовательность отключения и можно использовать стандартные двухуровневые драйверы. Однако в такой схеме понадобится большее количество компонентов, прежде всего ограничительных стабилитронов. Кроме того, выбор типа и количества супрессоров представляет определенную проблему из-за разброса их параметров.
Если ток КЗ обнаруживается датчиком выходного тока до того как IGBT выйдет из насыщения, мониторинг VCEsat не требуется. Такая ситуация происходит в тех случаях, когда скорость нарастания тока ограничена индуктивностью в АС-цепи. Это значительно упрощает конструкцию драйвера, но не обеспечивает защиту от перегрузок внутри инвертора, например от пробоя изоляции.
Разработчик системы должен принять решение о том, какая концепция защиты необходима и достаточна для конкретной системы. Реализация трехуровневого преобразователя сложнее и на аппаратном уровне, и в плане управления изолированными затворами. Однако применительно к таким устройствам, как, например, UPS или инвертор солнечной станции, 3L-схема может оказаться 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.
- Lamp J. SEMIKRON Application Note Note 19-001.
- Wintrich A., Nicolai U., Tursky W., Reimann T. Application Manual Power Semiconductors. 2nd edition. ISLE Verlag, 2015.
- Staudt I. 3L NPC & TNPC Topology. AN 11-001, Rev. 04. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2011.
- Wintrich A. IGBT4 and free wheeling diode CAL4 in IGBT modules. AN-9001, Rev. 02. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2009.
- Krapp J. Technical Explanation SKYPER 12, Rev. 05. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2017
- Krapp J. Technical Explanations SKYPER 42 LJ2, Rev. 11. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2017.
- Rabel I. TE — SEMiX5 1200V MLI SKYPER12 Driver Board, Rev. 04. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2019.
- Rabel I. TE — SEMiX5 TMLI SKYPER12 Driver Board, Rev 06. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2019.
- Rabel I. TE — SEMiX5 1200V TMLI Parallel Driver Kit, Rev 04. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2019.
- Rabel I. TE — SEMiX5 1200V MLI Parallel Driver Kit, Rev. 06. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2019.
- Lamp J. TE — ST10 MLI Driver Board, Rev. 04. SEMIKRON INTERNATIONAL, GmbH, 2019.