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三电平的门极驱动的配置和 短路保护

发布日期:2020-03-26 浏览次数:419

 


本文描述了功率半导体在三电平
NPCTNPC拓扑结构中的控制和保护。


驱动设计的关键是限制
IGBT的峰值电压以及
处理短路的能力。

倪选伟---赛米控电子(珠海)有限公司上海分公司




1. 三电平拓扑结构


三电平拓扑结构具有高效率和低谐波失真的特点,被广泛应用在UPS和太阳能等领域。最常见的三电平拓扑结构有NPC和TNPC,如图1所示。两种结构每一相都有4个IGBT,因此每一相需要四个驱动核。



图1:三电平TNPC(左)和NPC(右)拓扑

IGBT T1/T4被叫做外管;IGBT T2/T3被叫做内管

 

驱动可以设计为一个驱动核驱动1个IGBT,也可以设计成的一个驱动核驱动2个IGBT。赛米控的SKYPER 42 LJ和SKYPER 12驱动平台特别适合三电平的应用,因为它们对短路检测的响应是可调的。图2显示了双驱动核在NPC拓扑结构中可能的连接方式,这也适用于TNPC拓扑结构,因为这两种拓扑具有相同的脉冲模式。


  1. 驱动核1驱动T1和T2,驱动核2驱动T3和T4。

  2. 驱动核1驱动外管T1和T4,驱动核2驱动内管T2和T3。

  3. 驱动核1驱动T1和T3,驱动2驱动T2和T4。


对于上面的a和b两种方式,一定要能够关闭驱动程序的互锁功能,因为驱动的两个IGBT是可以同时开通的。本文讨论了这两种情况。


在三电平拓扑结构中,T1和T3是不能同时开通的,是互锁的。因此具有延迟互锁功能的半桥驱动核可以用于方式c。这时就不需要控制板来生成死区时间,这同样适用于T2/T4。


图2:NPC两个驱动核的驱动方式


2. 三电平变频器的切换模式


2.1 NPC拓扑结构


为了避免IGBT的过电压,外管T1/T4一定要先于内管T2/T3关断。如图3所示,以电流流出AC端子为例,当外管比内管先关断时,电流通过D5/D6续流, T1承受半母线电压(1/2 VDC)。电流流入AC端子也是类似的。如果内管T2先关断,则电流会通过D3和D4续流,由于此时T1仍然处于导通状态,所以整个母线电压都会施加到T2上。此时,当母线电压大于IGBT的阻断电压时,T2将会过压失效。

 


图3:NPC拓扑的正确(左)和错误(右)的切换模式


2.2  TNPC拓扑结构


与NPC一样,在TNPC拓扑中,外管T1/T4也应该先于内管T2/T3关断。以图4为例,此时通过D3和T2续流,T1承受半母线电压(1/2 VDC)。但是如果T2先于T1关断,则通过D4续流;此时,类似于两电平结构,但由于换流回路较长,且承受全母线电压,导致T1的VCE尖峰电压会较高,容易造成IGBT损坏。


图4:TNPC拓扑的正确(左)和错误(右)的切换模式


3. IGBT的峰值电压


3.1 NPC拓扑结构


NPC拓扑结构有两种不同的换流回路,即短换流回路和长换流回路。图5显示了正方向的电流回路,换流回路用绿色矩形表示。有功功率(Iout>0和Vout>0)发生在短的换流回路中,无功功率(Iout>0, Vout<0)发生在长换流回路中。长换流回路比短换流回路具有更大的杂散电感,因此开关过程中的峰值电压也更高。为了限制峰值电压,可以通过调整门极电阻或者通过增加有源钳位电路。


门极电阻控制现代IGBT的关断过程中的尖峰电压,只在有限的范围内才有效果。


图5:NPC的短回路和长回路


在有源钳位电路中,多个齐纳二极管串联在集电极和栅极之间,它们的击穿电压VZener即为有源钳位的起始动作电压。在IGBT关断过程中,当VCE上升过程中超过VZener时,钳位二极管导通。导通电流给门极充电,使其再次开通,直到VCE电压降低到VZener电压以下。



图6:有源钳位电路


3.2 TNPC拓扑结构


在TNPC拓扑中,内管IGBT和外管IGBT具有相同的换流电路。横管(T2,T3)的阻断电压通常低于竖管(T1,T4)。


例如:最大直流母线电压=1000V

T1/T4=1200v IGBT/Diode. 裕值电压为1200-1000=200v。

T2/T3=650v IGBT/Diode. 裕值电压为650-500=150v。

在这种情况下,对水平IGBT来说电压限制措施往往是必要的,例如增加有源钳位。


 
图7:TNPC 拓扑结构


4. 短路场景


下面讨论不同的短路场景。

  • 逆变器外部端子之间的短路(图8)。假设逆变器的每相的交流输出端具有电流检测和电抗器。

  • 在交流电抗器前端的逆变器内部端子之间的短路(图9)。电流传感器无法测量电流,也不受交流电抗器的限制。例如系统中的绝缘失效或金属部件落入系统中,使得系统发生短路故障。


在这两种情况下,对短路可以进行区分为

  • 相与相之间

  • 相与母排之间

以下用逆变器的两相来解释说明相与相之间的短路,用一相来解释相与母排之间的短路。本文以NPC为例,但是同样适用于TNPC。


 4.1 在逆变器外部的短路


电流传感器处于短路通道上,当达到过流阈值时,按指定的顺序关闭IGBT:首先关断外管IGBT,然后关断内管IGBT。这些IGBT应该在退饱和之前被关断,这就需要快速的电流采集和评估电路。一个有利的方面是电流的上升速度会受到交流电抗器的限制,如果只考虑这种类型的短路,是可以不需要对IGBT进行短路检测的。然而,如果直到IGBT退饱和之后电流还在上升,可能是因为电流检测太慢,那么这种情况必须考虑如4.2中所述的。


IGBT的退饱和电流通常发生在标称电流的3-8倍左右,否则可能导致IGBT的损坏。


图8:逆变器外部的短路


4.2 在逆变器内部的短路


当电流传感器检测不到短路电流时,电流上升直到IGBT退饱和,这时就需要通过驱动的短路保护来检测IGBT的退饱和。如果短路发生在靠近模块的地方,电流上升速度在若干个kA/μs,这时只有当短路时间(tpsc)在IGBT规格书中的短路时间的范围内,才是可行的。


如图9所示,在相与相的短路期间,电流总是流经一个外管IGBT。如果只涉及内管IGBT,则不会产生短路电流,因为只有N端电势相连,当短路发生在相与直流母排之间时,就可能只涉及一个内管IGBT。


图9:逆变器内部的短路


短路的另一种情况是由于控制不正确,多个IGBT(如T2、T3和T4)同时开通。在无有源钳位的情况下,如果直流电压高于IGBT的阻断电压,最后开启的IGBT(如T1)将被过电压击穿。


5.短路保护设计


当逆变器外部发生短路时,在每一相中,电流传感器进行过流检测即可,如4.1所述。在接下来的章节中,我们只考虑比较严重的逆变器内部短路。


5.1 相与相的短路保护


由于短路电流总是通过一个外管IGBT,所以对这些外管IGBT进行短路检测就足够了。在发生短路检测时,IGBT会立即通过一个比正常门极电阻高许多倍的软开关电阻关断,这使得IGBT上的电压被限制在允许的范围内。电流从外管IGBT换流到二极管D5或D6时,驱动给出的故障信号被反馈给用户端的控制器,控制器必须在tpsc时间内关断内管IGBT。当用标准Rg关断时,为了保护内管IGBT免受过高的电压的冲击,可能需要一个有源钳位电路。


为了保持这个关断顺序,当外管IGBT被检测到短路时,内管IGBT不能立即关断,只有当来自IGBT的电流已经换流到二极管D5或D6时才能关断。在选择驱动和故障的处理时必须考虑这一点。图10显示了正电流的时序图。


TNPC是类似的。T1检测到短路并进行软关断。电流换流到D3和T2,然后T2在大电流下被硬关断。


图10:在外管上的短路检测时序图


以下应用案例基于赛米控SEMiX5的TNPC和NPC模块。

使用两个SKYPER 12,一个用于T1、T2,另一个用于T3、T4。两个驱动程序都在NPC模式下运行, 当出现故障时,驱动会被软件关断而不是驱动板自己进行关断。


图11:SEMiX5的TNPC和NPC的应用案例原理


图12:  SEMiX5的TNPC模块驱动板


5.2 相与相和相与DC之间的短路保护


在相与相、相与母排、相与地都有可能发生短路的情况下,必须对内管和外管都进行短路检测,这样所有的IGBT才能被安全的关断。


如果外管IGBT被检测到短路,则按第5.1节中所述执行关断。


如果内管IGBT检测到短路,这些IGBT不会关断,驱动产生故障信号,如果外管IGBT是开通的,用户端的控制器将先关断它们,当电流从IGBT转换到二极管D5/D6时,内管IGBT再被关断。关断的顺序必须由控制板来控制,并且这个短路关断动作必须在tpsc内完成,外管IGBT用标准Rgoff关断。图13显示了正电流的时序图。


在NPC模块中使用SKYPER 42 LJ驱动可以保证这种关断顺序。在这种模式下,当检测到短路时,IGBT不会被立即关断,而且会传输一个故障信号。由于存储了这个故障信号,IGBT在下一次常规关断脉冲时用软关断电阻进行关断,因此可以防止过电压。


该保护在2并联的SEMiX5 TNPC和NPC的案例中被应用。两个SEMiX5模块并联,输出功率约为250kW,使用两个SKYPER 42 LJ,驱动器可以通过一个Pin脚设置为二电平或三电平模式。由于有足够的电压裕量,NPC应用样品中不需要有源钳位二极管,而TNPC在内管IGBT上提供有源钳位二极管。


这种驱动可以使内管IGBT在NPC模式下运行,外管IGBT在二电平模式下运行。在短路情况下,IGBT通过软关断电阻关断。


图13:在内管上的短路检测时序图


图14:  SEMiX5 TNPC和NPC两并联的驱动板


图15:  两并联的驱动板原理


如果所有的IGBT都有短路检测和有源钳位限压,则是最佳的短路保护。在这种情况下,每个IGBT可以在发生短路时立即关断,而不必注意特定的开关序列。当一个IGBT出现故障信号时,就立即关断其他所有IGBT,这样的话也可以使用二电平驱动,该电路的缺点是齐纳二极管数量多,成本高,对驱动PCB的空间要求高。SEMITRANS 10 NPC的样机就应用了这个保护方式,如图16。


图16:  SEMITRANS 10 NPC模块的驱动板及原理图


6. 三电平驱动电路的特殊设计


与TNPC相比,NPC的短路检测和短路关断更加困难。TNPC在短路时只有一个IGBT处于电流导通模式,而NPC串联的两个IGBT可以同时导通。当使用同一类型的IGBT时,两个IGBT可能同时退饱和,这种情况是不可取的,因为在不饱和的情况下,IGBT具有高增益(大电流变化与小栅极电压变化),因此易于振荡,这可能导致破坏。下面介绍防止这种情况的几种方式。


  1. 只有在逆变器输出端短路的情况下,可以不考虑这种同时退饱和的情况。如4.1所述


  2. 所有四个IGBT都有有源钳位和短路检测的功能时,如果检测到一个IGBT短路,其他所有IGBT会立即关断。如5.2所述,图16。


  3. 所有四个IGBT都具有有源钳位,而短路检测只存在于外管IGBT上。参见图17c。此外,内管IGBT具有比外管IGBT更高的栅极电压(例如17V),这是为了确保外管IGBT总是先退饱和。缺点是在AC端和DC+/-端短路时,外管未参与,内管由于门极电压大,所以短路电流会非常大。然后IGBT必须在规定的短路时间tpsc之前关断,以免热损坏。

     


  4. 所有四个IGBT都具有有源钳位,但只有内管IGBT存在短路检测,参见图17d。此时外管IGBT的栅极电压高于内管IGBT(如17V),这是为了确保内管IGBT总是先退饱和。因此,所有的短路情况都可以检测到。如果检测到短路,IGBT将立即关断,并产生故障信号,然后立即关断外管IGBT。即使内管先关断,但是有源钳位电路能保护IGBT免于过压影响。


有时对内管和外管IGBT执行不同的VCE短路检测级别和盲区时间,以确保关断顺序。在实际中,这一措施通常没有很好的效果,因为组件公差比调整VCE检测等级和盲区时间有更大的影响。


图17:NPC拓扑更高门极电压的短路保护检测


7. 总结


以上对NPC和TNPC两种拓扑结构的峰值电压限制和短路保护的驱动板配置进行了介绍。为了限制峰值电压,两个外管IGBT应在内管IGBT之前关断。


除了对短路保护的考虑之外,由于较低的电压裕量,TNPC和NPC在长换流回路中由于有较高的杂散电感,内管IGBT可能需要通过有源钳位来限制峰值电压。


TNPC拓扑中的短路保护更容易处理,因为只有一个IGBT在通电。NPC拓扑更难处理,因为两个IGBT是串联的,这可能导致两个IGBT同时退饱和。


在退饱和的检测中,只检测外管IGBT上的短路保护,而不检测相到地的短路保护。然而,这种解决方案仍然是有吸引力的,因为元器件数量相对较少,且三电平安全关断顺序是有保证的。在内管IGBT上配置有源钳位可能仍然是必要的。


对于短路保护,对地短路和相与相之间的短路,必须对所有IGBT进行退饱和检测。当不同的门极电压作用于NPC电路的内管和外管IGBT时,只对两个IGBT进行退饱和检测就足够了,因为那样已经定义了退饱和的顺序。


在所有IGBT上使用有源钳位二极管电路,当检测到短路保护时可以立即关闭IGBT。优点是不需要采用关断机制,可以使用标准的两电平的驱动电路,但是系统需要大量的器件,特别是齐纳二极管,降低了系统的可靠性。此外,因为二极管的公差因素,有源钳位电路的设计具有一定的挑战性。


如果可以在IGBT退饱和之前用交流侧的电流传感器检测到短路保护电流,则不需要对IGBT进行退饱和检测。这通常是在这种情况下,电流的上升斜率被交流电抗器限制了。这大大降低了对驱动板设计的要求,缺点是电抗器之前的短路能力弱,例如由于绝缘失效或在制造过程中的组装失误。


针对不同的应用场景,需要由系统设计人员去决定哪个保护等级是能够满足要求的。

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