数字IGBT驱动技术在高可靠性APF_SVG产品中的应用_洪磊

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,数字IGBT驱动技术在高可靠性APF,/SVG产品中的应用,大纲,APF/SVG产品的可靠性,NPC,I,型三电平应用的挑战,Firstack智能解决方案,Firstack,实际应用案例,总结,APF/SVG产品的可靠性,APF/SVG产品的可靠性,【Source: U. Choi, F. Blaabjerg, K.Lee, “Study and Handling Methods of Power IGBT Module Failures in Power Electronic Converter System”IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no.5, pp.2517-2533, May. 2015.,失效率：,IGBT+,驱动器,50%,APF/SVG产品的可靠性,100A/,两电平：,8006002200mm,100A/,三电平：,447620 267mm ,体积减小近80%,更高效率，更高功率密度，更低系统成本,大纲,APF/SVG产品的可靠性,NPC,I,型三电平系统挑战,Firstack智能解决方案,Firstack,实际应用案例,总结,NPC,I,型三电平系统挑战,内外管的时序问题,内管关断尖峰过高,模组故障难以定位,内外管的时序问题,S,1,S,2,S,3,S,4,H,进制,输出,1,1,0,0,C,+1,0,1,0,0,4,+1,0,1,1,0,6,0,0,0,1,0,2,0,0,0,1,1,3,-1,0,0,1,0,2,0,0,1,1,0,6,0,0,1,0,0,4,+1,1,1,0,0,C,+1,NPC I,型三电平有,5,种模态，其中包括稳态,C,，,6,，,3,和过渡态,4,，,2,C,，,6,，,3,稳态遵循,S,1,和,S,3,互补，,S,2,和,S,4,互补原则,内外管的时序问题,S,1,S,2,S,3,S,4,H,进制,输出,1,1,0,0,C,+1,0,1,0,0,4,+1,0,1,1,0,6,0,0,0,1,0,2,0,0,0,1,1,3,-1,0,0,1,0,2,0,0,1,1,0,6,0,0,1,0,0,4,+1,1,1,0,0,C,+1,正常,3,模态下，电流流过,S,3,，,S,4,，,AC,点的电位为,-1,此时停机或者出现过流，欠压，短路等异常工况。先关,S,3,还是先关,S,4,？,内外管的时序问题,先关,S,3,，,S,3,承受整个母线电压，,S,3,过压损坏！,V,CE_S3,=,V,DC,V,CE_S3,=,1/2V,DC,内外管的时序问题-传统解决方案 I,方案 I：内管无（短路）保护,+,上位机协调,广泛应用于,1200V,以下中小功率场合,成本低,保护不全面，可靠性依赖于系,统设计及生产工,艺,对于部分驱动,IC,，无法屏蔽,UV,故障，存在时序风险,内外管的时序问题-传统解决方案 II,方案 II：高级有,源钳位,+,上位机协调,依靠有源钳位防止内管过压,保护齐全,保护策略简单，等同于两电,平,省,去故障通讯,/,滤波时间（,12us,）,！ 解决了过压，但时序问题仍然存在,内管先关风险分析,V,CE_S3_max,=4.20kV,I,S3_max,=4.8*I,nom,V,DC,=5800V, S,3,先于,S,4,关断,4us,钳位效果良好，,但,S,3,的损耗与短路工况相当,CH,1,：,V,CE_S3,CH,2,：,V,CE_S4,CH,3,：,I,C_S3,CH,4,：,I,C_S4,IGBT,型号：,FZ1200R45KL3,成本高：,TVS,数量多（,1632/,相）,有,源钳位阈值设置需谨慎,：,母线电压波动,中,点不平,衡（,510%,）,TVS,精,度（,510%,）,&,温,漂（,510%,）,S,3,进入线性,区，等同于短路，对模块造成冲击,内外管的时序问题-传统解决方案 III,总结,方案类型,内管无保护,有源钳位,成本,低,高,保护齐全,差,好,可靠性,一般,较好,保护策略,简单,简单,控制系统配合,DSP+CPLD+,驱动,DSP+CPLD+,驱动,应用领域,低压小功率,高压领域,控制系统失效，连接器脱落？,总结,方案类型,内管无保护,有源钳位,成本,低,高,保护齐全,差,好,可靠性,一般,较好,保护策略,简单,简单,控制系统配合,DSP+CPLD+,驱动,DSP+CPLD+,驱动,应用领域,低压小功率,高压领域,内管关断尖峰过高,大换流回路：,6-4,模态切换，,换流回路,穿过C,1,，D,1,，S,2,，S,3,，D,6,器件,大杂散电感：,不同模块及母排组成的拓扑，杂散电感值在80,1,00nH左右,内管关断尖峰过高-传统解决方案 I,方案 I：加吸收电容,部分应用场合杂散电感过大，尖峰抑制不住,发热严重，部分场合结构限制，无法加吸收电容,内管关断尖峰过高-传统解决方案 II,方案 I,I,：有源钳位,过高的尖峰导致有源钳位频繁动作，TVS有过热损坏风险,结论,方案类型,吸收电容,有源钳位,关断尖峰抑制效果,一般,较好,结构适应性,差,好,关键器件发热,严重,一般,关键器件寿命,一般,一般,模组故障难以定位,12个IGBT，2类以上故障，1或3个故障返回口,总结,更高,可靠性,时序管理：是否存在独立于上位机，更快，各种异常工况均保护？,尖峰抑制：是否存在更好的电压尖峰抑制技术？,故障定位：更准确，更智能，为系统调试与维护提供数据支撑？,大纲,APF/SVG产品的可靠性,NPC,I,型三电平应用的挑战,Firstack智能解决方案,Firstack,实际应用案例,总结,Firstack智能解决方案,内外管的时序问题,智能时序管理,OS,内管关断尖峰过高,分级关断技术,模组故障难以定位,智能故障通信,Firstack智能解决方案,内外管的时序问题,智能时序管理,OS,内管关断尖峰过高,分级关断技术,模组故障难以定位,智能故障通信,NPC I型拓扑构成,英飞凌：,EasyPACK,Vincotech,：,flow NPC 1,内外管的时序问题解决方案,不依赖上位机,正常工况,：关断时序监测，错误时序会告警,异常工况：,欠压、短路、,PWM指令异常,、,接插件脱落等,按时序关断,方案 ：智能时序管理,OS,欠压状态下时序关断,S,4,V,CC,S,3,驱动电源欠压状态下，先关断外管,S,4,，再关断内管,S,3,CH,1,：,V,GE-S3,CH,2,：,V,cc,CH,4,：V,GE-S4,短路状态下时序关断,S,3,S,4,V,DC,=900V,、,I,C,=150A,、,F3L150R07W2E3_B11,、,NPC,两并联,、,S,3,管,CH,1,：,V,GE-S4,CH,2,：,V,CE-S4,CH,3,：I,C,CH,4,：V,GE-S3,S,3,管短路状态下，,先关断外管,S,4,，再关断内管,S,3,Firstack智能解决方案,内外管的时序问题,智能时序管理,OS,内管关断尖峰过高,分级关断技术,模组故障难以定位,智能故障通信,分级关断,在不同的关断过程中采用不同电阻优化关断特性，有效降低电压尖峰,CH1:V,GE,CH2:V,CE,CH3:I,C1,CH4:I,C2,V,35%,V,DC,=900V,、,I,C,=150A,、,F3L150R07W2E3_B11, NPC,两并联,F3L150R07W2E3_B11,两并联可实现,150A,的,APF,分级关断,Firstack智能解决方案,内外管的时序问题,智能时序管理,OS,内管关断尖峰过高,分级关断技术,模组故障难以定位,智能故障通信,展开,UV,时，故障返回保持时间：,25ms,SC,时，故障返回保持时间：,10ms,故障分类：区分,SC,（短路）故障和,UV,（电源欠压）故障,协助客户快速定位整机故障，降低研发及维护成本,智能故障通信,大纲,APF/SVG产品的可靠性,NPC,I,型三电平应用的挑战,Firstack智能解决方案,Firstack,实际应用案例,总结,380V,AC,/100k,VA,变流器应用,380V,AC,/100kVA,三电平变流器,F3L1,5,0R07W2E3_B11两并联,最大开关频率20kHz,功率模组体积：,430*250*183mm,3,应用：光伏,/UPS/APF/SVG/,储能,SMART OS,（,Firstack,）,智能时序管理,分,级关断,智能故障分类,SMART OS,（D-Core）,D-Core,(,提供免费的参考模组设计方案,),大纲,APF/SVG产品的可靠性,NPC,I,型三电平应用的挑战,Firstack智能解决方案,Firstack,实际应用案例,总结,总结,APF/SVG,产品中,IGBT,及其驱动器可靠性尤为重要,NPC I,型三电平已成为主流拓扑,Firstack,数字驱动可以有效解决三电平驱动挑战,智能时序管理,OS,，能有效解决应用关断时序问题,分级关断技术，能有效解决内管关断尖峰问题,智能故障通信技术，能快速定位模组故障,品质,可靠,智能,Firstack,智能驱动器,年失效率,0.08%,驱动,&,模组,&,系统,监测,&,诊断,&,预警,谢谢,!,