关键词：逆变器；中压；三电平；驱动
Abstract: 1140V AC inverter/frequency converter is widely used in rail transit traction, metro energy feeding, medium voltage frequency conversion and other industries. In recent years, with the development demand of "higher power density, lower system cost", based on 1700V EconoDUALTM NPC I-type three-level solutions for packaged modules are beginning to be widely used. Compared with the traditional two-level topology, the NPC I-type three-level system is more complicated, mainly has the problem that the IGBT internal and external tube turn-off error timing and the inner tube turn-off spike are too high, which brings huge challenges to the IGBT drive technology. . This paper focuses on the mechanism of the above problems in the NPC I type three-level topology, and based on Firstack's new generation of digital IGBT drivers, gives an intelligent solution: three-level mode, hierarchical shutdown, greatly improved NPC based on 1700V EconoDUALTM package mode Reliability of Type I three-level medium voltage inverter system.
Key words: Inverter; Medium voltage; Three-level; Drive
【中图分类号】TM86 【文献标识码】B  【文章编号】1561-0330（2018）07-0000-00
1 引言
传统轨道交通牵引变流器，地铁馈能变流器，中压变频器，广泛采用3300V的IHM封装模块的两电平拓扑方案，如图1（a）所示，该方案在技术层面应用已经相当成熟。但是随着近年来市场不断发展，对体积，成本要求越来越高，基于1700V/EconoDUAL™封装模块的NPC I型三电平拓扑方案开始广泛应用起来，参考示意拓扑如图1（b）所示。


NPCI型三电平拓扑方案虽然有上述优势，但是在驱动技术层面存在两大技术难点：
（1）内外管关断时序问题：任何情况下，外管优先于内管关断，尤其是在短路故障或者欠压故障情况下。
（2）内管关断电压尖峰过高：由于拓扑结构比传统两电平复杂，内管存在大换流回路，实际模组设计母排杂散电感很大，很容易导致模块过压损坏。
2 NPC I型三电平拓IGBT驱动挑战
2.1 内外管的关断时序
如图2所示，在NPC I型三电平拓扑结构中，每相的功率器件一共有6个：4个IGBT（S1，S2，S3，S4），2个二极管（D5，D6）。4个IGBT不同的开关组合，可以组成不同换流模态，将S1~S4状态分别用0和1表示，0表示关断，1 表示开通；同时母线正电位为“+1”，母线负的电位为“-1”，一共有以下几种组合模态（假设电流流向向内），如表1所示。


从表1中可以看出，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，其中C，6，3稳态遵循S1和S3互补，S2和S4互补原则。为了分析时序问题，我们取模态3，此时的S1~S4的状态为：0011，如图3（a）所示，S3和S4开通，电流由AC流向母线负，此时的AC点电位为“-1”。如果现在出现正常停机或者异常过流，先关内管S3还是先关外管S4？
图3（b）给出了先关外管（S4=0），此后电流通过D6流回到O点，AC电位为“0”，再关内管（S3=0），内管S3两端承受的为1/2VDC。
图3（c）给出了先关内管（S3=0），此后电流通过D1，D2流回到母线正，AC电位为“+1”，再关外管（S4=0），内管S3两端承受的为VDC，模块会过压损坏。



基于上述分析，NPC I型三电平必须先关外管再关内管，无论是正常停机工况，还是异常工况，如欠压保护，短路保护等。
2.2 内管关断尖峰过高
如图4（a）所示，NPC I型半桥工作在模态6，S1~S4的开关状态：0110，电流由AC点通过S3，D6流到“O”点。此时切换到模态4，即S1~S4的开关状态：0100，则电流会由AC点通过D2，D1流到母线正，在S3关断的过程中，如图4（b）所示，整个换流路径经过C1，D1，S2，S3，D6器件，形成一个大换流回路，存在较大的杂散电感。而基于1700V EconoDUAL™封装模的NPC I型三电平方案采用3个EconoDUAL™封装模构成一相桥臂，模块之间采用叠层铜排连接，实际大换流回路需要经过模块以及相应的连接铜排，进一步增大杂散电感，根据系统实测，一般会到120nH，远远大于模块推荐的30nH要求，使得关断尖峰异常高，模块很容易过压失效。

3 NPC I型三电平数字IGBT驱动器
针对EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平应用的上述问题，Firstack开发了新一代即插即用数字IGBT驱动器：2FSD0115+B17-3L。该驱动器相对于传统的两电平主要具有以下功能：三电平模式和分级关断。可以有效解决内外管关断错误时序和内管关断尖峰过高的问题。
3.1 三电平模式
2FSD0115+B17-3L具有三电平模式。传统的两电平驱动模式，驱动板在检测到故障（短路或者欠压），会立即封锁PWM信号。三电平模式下，驱动板检测到故障（短路或者欠压），自己不立即封锁PWM，而是将故障信息上传到控制板，让控制板协调内外管的关断时序，控制板下发关断指令，驱动接收到关断指令再封锁PWM。三电平模式故障保护时序图如图5所示。


在EconoDUAL™ 封装模块的NPC三电平方案中，2FSD0115+B17-3L驱动应用内管模块，可以确保短路或者欠压故障发生时，控制系统能优先关断外管。
3.2 分级关断技术
门极电阻对于IGBT的关断特性的影响是Rg越大，关尖峰也越小，为了解决内管关断尖峰的问题，比较好思路就是加大关断电阻。但是Rg增大同时会带来关断延时增加，关断损耗增加，会影响到整机的死区设置以及热设计。
分级关断技术利用了关断电阻对于IGBT关断特性的影响机理，基本的原理是将IGBT的关断过程分为三级，与传统的单个关断电阻值不同，在关断过程中不同时段会有三种不同阻值的关断电阻，如图6所示，R1，R2，R3由数字驱动器中的MCU控制具体在什么时刻投入到门极回路。


基于三级的关断过程，可以实现有效抑制电压尖峰的同时，兼顾关断延时和关断损耗，使得关断特性达到最优状态。
4 测试验证
为了验证相应的数字驱动技术，基于EconoDUAL™封装模块的NPC三电平方案的测试平台。模块型号FF600R17ME4；驱动2FSD0115+系列即插即用驱动器。具体构建的示意图如图7所示，其中外管采用两电平版本2FSD0115+B17，内管采用三电平版本2FSD0115+B17-3L。

4.1 时序管理测试波形
为了验证短路工况下的时序管理，基于该三电平方案进行相应的短路测试，主回路如图8所示，做S3和S4的短路实验。实际测试波形如图9所示。


从测试波形上可以看出，内管（S3）先检测到短路，反馈给上位机后，上位机协调先关外管（S4）后关内管（S3）。
4.2 分级关断测试波形
实验条件：采用英飞凌FF600R17ME4，测试内管S3带分级关断以及不带分级关断的电压尖峰VCE_MAX，波形如图10所示。


从对比测试结果来看，在同等实验条件下，不带分级关断的VCE_MAX=1630V，带分级关断的VCE_MAX=1330V，电压尖峰下降了近20%。
5 结论
Firstack的2FSD0115+B17-3L智能驱动器，具有三电平模式以及分级关断功能，可以有效解决基于EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案中关断时序问题和内管关断尖峰过大的问题，大大提高1140Vac三电平中压逆变系统的可靠性，具有广泛的应用前景。
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方案拓展：针对1140V AC中压三电平逆变器除了本文介绍的即插即用驱动产品2FSD0115+B17-3L，Firstack还有三电平专用数字驱动核2FSC0435+A-3L，具有时序管理以及分级关断的功能，可以有效解决关断时序以及内管尖峰的问题，同时应用扩展更方便更灵活。详情请参考：官网产品说明书www.firstack.com。


参考文献
[1]湖南恒信电气有限公司,中铁电气化勘测设计研究院,等. 电阻-逆变混合型再生制动能量吸收装置挂网试验报告[R]. 广州,重庆,2010.2~2010.8.
[2]Firstack Technical documentation: 2FSD0115+B17.pdf[Z].
作者简介
洪磊  (1987- )  男 硕士 产品总监