Драйверы SEMIKRON для 3-уровневых инверторов. Часть 1

Опубликовано в номере:
PDF версия
MLI

Рис. 1. SEMIKRON выпускает широкую гамму 3-уровневых модулей в конфигурации MLI

Общие положения

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 сформировать 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.

Типовые схемы 2L- и 3L- инверторов приведены на рис. 2. 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).

Рис. 2. Схемы 2-уровневого и 3-уровневого инверторов. 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, чьи габариты и стоимость вносят существенный вклад в показатели всего изделия. Еще одним достоинством 3L-топологии является низкий уровень излучаемых электромагнитных шумов, что особенно важно для таких применений, как UPS.

Поскольку в цепи коммутации 3-уровневой схемы участвуют четыре полупроводниковых ключа, потери проводимости данной схемы несколько выше, чем у традиционной 2-уровневой. Однако существенное снижение потерь переключения позволяет уменьшить общее значение рассеиваемой мощности примерно на 40%, и это достоинство особенно ярко проявляется на высоких частотах коммутации [1, 2].

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

Компания SEMIKRON выпускает широкую гамму 3-уровневых модулей в конфигурации MLI: 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 (750 кВт МВт и более) разработаны модули SEMITRANS 10 в конструктиве PrimePack.

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

Универсальное устройство управления SKYPER12 (T)MLI Driver Board

Для упрощения процесса проектирования 3-уровневых 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 проектов. Она способна действовать с силовыми каскадами с напряжением DC-шины до 1500 В на частоте коммутации до 30 кГц. В устройстве использовано два стандартных цифровых драйвера SKYPER12, контролирующих ключи Т1/Т2 и Т3/Т4 (рис. 3).

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 аналогичных устройств 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 активного ограничения устанавливается только на внутренних ключах, для чего применяются 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 подключения четырех транзисторов фазной стойки (MLI или TMLI) с одной стороны и разъемы для установки драйверов SKYPER12 и подключения пользовательского интерфейса с другой стороны (рис. 4).

SKYPER

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

Технические характеристики

На рис. 5 показана блок-схема инвертора 3L NPC, 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 3-уровневого инвертора, схема детектирования напряжения насыщения (VCE desat) и цепь активного ограничения (active clamping).

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 (см. далее);
  • температура окружающей среды Ta = 0…+40 °C (см. далее).

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 (L×W×H). 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, доступном на сайте www.semikron.com

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 доступны в техническом описании драйвера SKYPER12 [9]). Положение этих элементов типоразмера 0805 выделено желтой рамкой на рис. 6.

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) не устанавливаются на плату драйвера (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.

Рис. 7. Схемы 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) для имитации низкой температуры. 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.

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 предусмотрено 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.

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.

Рис. 9. Схема активного ограничения

Мониторинг VCEsat

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

Если режим мониторинга VCEsat не используется для внутренних ключей T2 и T3 и соответствующие контакты не заземлены на входе инвертора, то он может быть отключен установкой 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.

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) через некоторое время, когда внутренний IGBT уже полностью открыт. Выключение производится в обратном порядке: запирание T2 (T3) возможно только после полной блокировки T1 (T4).

Соблюдение указанной последовательности 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 обнаружении 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 происходит по достижении пороговой температуры, этот момент времени никак не связан с последовательностью управляющих импульсов 3-уровневой 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 3-фазных 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 путем выбора 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 использовано при разработке прототипа 3-фазного 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).

Рис. 10. Силовая секция разделенного 3L-инвертора (слева), модуль SEMITOP E2 справа

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. Модули IGBT имеют встроенный термодатчик NTC — таким образом температура контролируется во всех критических зонах инвертора.

Верхняя и нижняя половины «разделенной» 3L силовой 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 (артикул 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. Гербер-файлы на плату можно запросить в центре технической поддержки SEMIKRON в Санкт-Петербурге.

 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.

Положения 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.

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 и 2 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.

 

Продолжение следует

Литература

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 V3.1 — новые возможности, новые перспективы // Силовая электроника. 2008. № 3.
  4. Колпаков А. 3L-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 SKYPER®12 — rev5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017.
  10. Agostini R. Technical Explanation SEMITOP® — rev5. SEMIKRON Technical Explanation, 2017

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *