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以兆瓦级逆变器系统为本的设计

2016-11-01 08:46:38 来源:《电力电子技术》网站 浏览:2574

            以兆瓦级逆变器系统为本的设计
       Designed with MW inverter systems in mind
               作者: Johannes Krapp, SEMIKRON Elektronik GmbH

    在兆瓦级应用中,有三条基本标准对产品的成功起重要的作用:成本、服务水平和系统可靠性。考虑到IGBT驱动器集成的重要性,新一代驱动器被设定为提高IGBT性能的同时降低成本。
    为了更有效地控制逆变器,逆变器的控制器必须融合各种参数,主要是传感器信号精度和动态响应特性。典型的输入参数有直流母线电压,输出电流、散热器或模块基板温度。这些信号通常使用模块底板上的直流母线电压传感器、交流侧电流传感器和NTC传感器来测量。另一个重要因素是信号在转换为数字信号进行处理之前必须进行电隔离。这样的设置需要为传感器和评估电路提供单独的电源及合适的接线。
    这种解决方案相当的复杂,另一种替代方案是采用IGBT驱动器SKYPER Prime,这种驱动器采用集成传感器,直接在模块级测量直流母线电压和集成的模块NTC。两路信号在传输到原边时就进行了电气隔离,以便于控制器将其处理为PWM数字信号。。在整个测量链上,直流侧测量的精度低于1.5%,比现有系统高25%。不再需要会降低精度的附加A/D转换或者电平设置。控制器的捕获比较单元使得PWM温度和电压信号可直接被处理。不需要单独的信号处理板,可充分利用精度和动态响应特性。所带来的结果是更高效的寿命周期评估和经过优化的维护方案,显著降低维护成本。

高效并联带来更大的功率
    当逆变器中的IGBT并联以实现兆瓦级应用中所需的电流方向时,所面对的一个最大挑战是实现对称的电流分布。IGBT芯片公差、延迟时间和IGTB驱动器的门极电压以及负载连接或冷却系统都会影响到电流的对称性。在采用大逆变器的大功率应用中,实现电流的对称性是非常具有挑战性的任务。有多种优化电流对称性的方法,一种选择是在逆变器的负载输出端使用额外的交流电感。 然而,问题是该电感主要抵消二极管的公差而不是IGBT的公差。 更有效的方法是优化影响电流对称性的各个因素。
       

                                集成带来对称的信号路径

    为了实现这个目标,所有子组建的独立公差被减小到最小,包括必须在整个温度范围内传送精确驱动信号的驱动器电子器件。影响电流对称性的一个关键因素是IGBT的门极驱动电压。该电压在温度影响下的波动会导致不同的开关时间。稳定的门极电压解决了这个问题,并确保了门极驱动电压保持恒定,与客户端提供的电压无关。这确保了并联的IGBT在整个温度范围内不会发生显著的降额。

信号偏移及其影响
    另一个关键因素是信号偏移,指的是两个上升沿之间的时间差。在并联IGBT模块的高效电路设计中,偏移小于50ns。这里的主要挑战是确保将这些时间差保持在最小,同时不降低EMC。 信号传播延迟越短,滤波器可能越受限。鉴于IGBT的迟滞,因此在某些专门应用中仅需要小于1μs的传播延迟。
     
                      经过优化的门极电阻带来更大的SOA

    然而,对于这些传播延迟,温度相关的公差必须尽可能的低。为了确保这种情况,比如SKYPER Prime中的混合信号ASIC使用了可在整个温度范围内保持稳定的数字输入滤波器。 因此,防止了由不对称电流分布所导致的各IGBT开关上的过载,以及任何对使用寿命的不利影响。除了降低公差外,对称的门极驱动器板布局还提供了优化同步开关时间的可能性。这里重要的是对相同路径上的开关信号进行分离,不仅仅是关于信号传播延迟,而且还是由于不同门极驱动器电路布局中的不同信号耦合行为。在硬开关条件下的并联配置中,并联故障和信号逻辑也必须是可能的。对故障的反应必须也是快速的,不依赖于外部控制器。
    安全工作区(SOA)可定义为设备无自损运行工况下的电压和电流条件。其主要限制因素是IGBT关断期间所产生的过电压。该电压不得超过IGBT的最大集电极-发射极电压。过电压由直流母线上的寄生电感、模块电感,门极路径中的耦合行为和逆变器工作参数引起的。这里最关键的场景是过电流的情况下。为了确保驱动器电子器件能够充分利用IGBT模块的可用功率,正常开关运行和短路条件下的过电压必须减小到最小。这样做的最有效方法是在两种情况下使用不同的门极驱动参数。这意味着使用不同的门极路径或输出级。芯片在不同温度下的不同行为对过电压的大小具有巨大的影响。在整个温度范围内跟踪芯片特性可以优化门极电阻和保护设置,这意味着IGBT可以更高效地工作,而无需额外的控制环路或钳位电路。有源钳位是过电压产生后抑制过电压的一个相当普遍的措施。然而,由此而产生的附加损耗和振荡可能会导致意外的系统行为。钳位二极管的公差也限制了有效的直流母线电压,振荡可能导致不可预见的故障条件。新的替代方案是将先进的短路检测与经过SOA优化的门极电阻相结合。这种方法会比现有解决方案多出5%的可用功率。
    用于兆瓦级逆变器的新型IGBT驱动器,如SKYPER Prime驱动器,具有许多优点。得益于集成的传感信号,整体系统成本降低了30%。电压和温度传感器的高精度和动态响应是高效整体系统监控的关键,从而优化了维护方案并延长了使用寿命。即使在并联配置中,稳定的开关行为和信号接口也为SEMITRANS 10等大功率模块提供最大的输出功率。

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