基于 2ED300C17-ST 的功率單元設(shè)計(jì)及應(yīng)用

彭 濤 田紹據(jù)

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

基于 2ED300C17-ST 的功率單元設(shè)計(jì)及應(yīng)用

彭 濤 田紹據(jù)

(東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

介紹了基于 2ED300C17-ST 驅(qū)動(dòng)模塊在 1.5MW 風(fēng)電變流器功率單元上的應(yīng)用。 該功率單元采用 2ED300C17-ST 為內(nèi)核的控制模塊， 以及英飛凌公司的 IGBT， 開(kāi)發(fā)出了具有良好性能的用于 1.5MW 變流器的功率單元。 該功率單元具有高可靠性、高性?xún)r(jià)比、良好的短路保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)等特點(diǎn)。

2ED300C17-ST； IGBT

0 引言

功率單元是變流器系統(tǒng)中最基本的執(zhí)行器件。在風(fēng)力發(fā)電行業(yè)中， 變流器采用 IGBT 整流和逆變技術(shù)來(lái)給電網(wǎng)送電，這樣可以根據(jù)不同的風(fēng)速有效地將電機(jī)產(chǎn)生的不同頻率的電流轉(zhuǎn)化成可以給電網(wǎng)輸送的 50Hz電流， 減少由于電流頻率不同給電網(wǎng)帶來(lái)的波動(dòng)。變流器中的功率單元基本上都是采用的 IGBT 外加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)完成主要的逆變?nèi)蝿?wù)，再加上合適的散熱及機(jī)械結(jié)構(gòu)等器件。本文提到的功率單元采用的是英飛凌公司的驅(qū)動(dòng)模塊和 IGBT， 通過(guò)合理的散熱及機(jī)械結(jié)構(gòu)組成，極大地保證了系統(tǒng)的正常工作，有效地提高了系統(tǒng)效率。

1 變流器總體框架

圖1 雙饋發(fā)電機(jī)總體框圖

圖1 所示為雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的功率單元基本結(jié)構(gòu)框圖，其中功率單元分為網(wǎng)側(cè)功率單元和機(jī)側(cè)功率單元。網(wǎng)側(cè)功率單元完成的是交流變直流的作用，機(jī)側(cè)功率單元完成的是直流變交流的作用。

2 功率單元總體結(jié)構(gòu)

2.1 基本構(gòu)成

功率單元總體結(jié)構(gòu)由兩個(gè) IGBT、 一個(gè)散熱器、一塊復(fù)合母線、六個(gè)電解電容、四個(gè)吸收電容、一個(gè)加熱電阻、一塊電路板及板金件等組件構(gòu)成。

直流電壓從復(fù)合母線正負(fù)端進(jìn)入， 通過(guò) IGBT后，從交流銅排輸出一相交流電。

2.2 電氣原理

功率單元的電氣原理圖如圖2所示，其中，IGBT 選 擇 的 是 英 飛凌 公 司 生 產(chǎn) 的 第 四代 產(chǎn) 品FF1000R17IE4， 采用的是雙 IGBT 并聯(lián)模式， 驅(qū)動(dòng)模塊采用 2ED300C17-ST 組成驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路。

圖2 功率單元電路原理簡(jiǎn)圖

3 系統(tǒng)硬件電路板設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的 硬件主要基于 2ED300C17-ST 模塊，外圍設(shè)計(jì)短路保護(hù)電路和過(guò)溫報(bào)警電路。

3.1 英飛凌驅(qū)動(dòng)模塊

3.1.1 模塊特點(diǎn)

2ED300C17-ST 是英 飛凌公 司 專(zhuān)為 1200V/ 1700V eupec IGBT 設(shè) 計(jì) 的 驅(qū) 動(dòng) 模塊 。 該模 塊 采 用隔離變壓器， 雙通道驅(qū)動(dòng)傳輸方式， 具有以下特點(diǎn)：

·雙通道 IGBT 驅(qū)動(dòng)

·Vcesat檢測(cè)

·發(fā)生故障時(shí)軟關(guān)斷技術(shù)

·滿(mǎn)足 EN50178 標(biāo)準(zhǔn)的安全電氣絕緣

·輸出電流可以達(dá)到 30A

·正負(fù) 15V 輸出電壓

·短脈沖抑制

·延遲時(shí)間短

·高抗干擾性

·欠壓保護(hù)功能

3.1.2 結(jié)構(gòu)功能簡(jiǎn)述

圖3 所示 為 2ED300C17-ST 模塊的結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看到， PWM信號(hào)采用的是隔離變壓器傳輸模式，具有延遲時(shí)間短，高抗干擾性等優(yōu)點(diǎn)。

3.1.3 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

3.1.3.1 死區(qū)設(shè)計(jì)

死區(qū)的設(shè)計(jì)目的是避免 IGBT 上下管直通而導(dǎo)致炸管，可以通過(guò)改變電容的參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。表1 為死區(qū)時(shí)間對(duì)應(yīng)的 CA/CB 電容的參數(shù)值。

表1 死區(qū)設(shè)置參數(shù)表

2ED300C17-ST 的一個(gè)特性就是當(dāng)一個(gè)通道接收到高電平時(shí)，另一個(gè)通道會(huì)保持低電平，可以避免上下管直通的發(fā)生。盡管此模塊可以有效避免直通的發(fā)生， 但是考慮到保護(hù) IGBT 的開(kāi)關(guān)動(dòng)作， 通常會(huì)根據(jù) IGBT 開(kāi)關(guān)特性以及軟件需求來(lái)進(jìn)行死區(qū)的設(shè)置。 自帶死區(qū)的開(kāi)關(guān)特性圖見(jiàn)圖4。

圖3 2ED300C17-ST 模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 自帶死區(qū)的開(kāi)關(guān)特性圖

3.1.3.2 開(kāi)關(guān)電阻設(shè)計(jì)

眾所周知，影響一個(gè)功率單元工作效果的最重要的參數(shù)就是開(kāi)通和關(guān)斷電阻的設(shè)置。2ED300C17-ST 的最大驅(qū)動(dòng)電流是 30A， 應(yīng)用在并聯(lián) IGBT 中， 則每一個(gè) IGBT 最大驅(qū)動(dòng)電流是 15A。式 （1）給出的是驅(qū)動(dòng)一個(gè) IGBT 所需要的功率。

f—開(kāi)關(guān)頻率；

△VGE—IGBT 開(kāi)關(guān)壓降；

Cies—IGBT 管本身電容參數(shù)。

通過(guò)式 （1）， 根據(jù)實(shí)際要求即可算出開(kāi)通和關(guān)斷電阻值的范圍。具體選擇應(yīng)該根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)行綜合考慮， 在滿(mǎn)足 Vce電壓過(guò)沖過(guò)大的前提下，盡可能地減小驅(qū)動(dòng)電阻，來(lái)降低發(fā)熱損耗。

3.1.3.3 短路保護(hù)電路設(shè)計(jì)

IGBT 在遇到過(guò)流或者過(guò)壓情況下會(huì)出現(xiàn)炸管現(xiàn)象。 一旦過(guò)壓，IGBT 無(wú)法有效保護(hù)自己，而出現(xiàn)短時(shí)過(guò)流情況下，IGBT 可以承受一定沖擊，于是過(guò)流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)就成為目前比較可行的保護(hù) IGBT 的一個(gè)措施。 2ED300C17-ST 中可以通過(guò)設(shè)置RC 參數(shù)，來(lái)起到保護(hù) IGBT 的效果，如圖5 所示。

圖5 短路保護(hù)電路的RC設(shè)置

其中， RC的設(shè)置要根據(jù)實(shí)際需要來(lái)進(jìn)行， 如圖6 所示， 合理的參數(shù)會(huì)保證 IGBT 安全可靠地工作，既不會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)現(xiàn)象，也不會(huì)出現(xiàn)拒保現(xiàn)象。

圖6 短路保護(hù)波形圖

通常， IGBT 的過(guò)流保護(hù)時(shí)間是有限制的， 式（2）給出了合理的設(shè)置保護(hù)時(shí)間。

式中：

tP—IGBT 過(guò)流承受時(shí)間， 通常小于等于 10us；

tSD—SSD 延遲時(shí)間， 通常是 5us；

tSYS—模塊延遲時(shí)間， 通常是 1us；

tref—RC 參數(shù)設(shè)置的延遲時(shí)間。

4 抗干擾設(shè)計(jì)

·合理的布板能夠減少干擾，上下橋信號(hào)分開(kāi)走線，避免干擾；

·強(qiáng)弱電走線間距大于 10mm；

·電源線應(yīng)盡量加粗。可使信號(hào)電平穩(wěn)定和增加抗干擾能力，使電源線能通過(guò)3倍于印刷電路板上的允許電流；

·接地線盡量構(gòu)成閉環(huán)路，可增加抗干擾能力；

·配置去耦電容。 電源輸入端接 10～100μF 的電解電容；

·增加共模抑制線圈，降低電源帶來(lái)的干擾。

5 結(jié)論

本功率單元采用 2ED300C17-ST 驅(qū)動(dòng)控制模塊， 實(shí)現(xiàn)了對(duì) IGBT 的控制和保護(hù)， 具有很強(qiáng)的安全性和抗干擾性。 作為公司自主開(kāi)發(fā) 1.5MW 變流器配套使用，大大地降低了成本，使公司在風(fēng)電變流器領(lǐng)域保持了較高的競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，該功率單元尚存在不足之處，在這個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，今后會(huì)進(jìn)一步優(yōu)化，爭(zhēng)取早日研制出更加可靠、穩(wěn)定的功率單元。

[1] 周志敏,紀(jì)愛(ài)華,編著.高效功率器件驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例 [M].北京:人民郵電出版社,2009

[2] 趙振波.2ED 300C17-ST 設(shè)計(jì)文檔 [Z].英飛凌中國(guó)公司,2008

[3]Heinz Ruidi.Intelligent Paralleling.2009.3

[4] 費(fèi)凌,陳守強(qiáng),張恕遠(yuǎn),黎亞元.電力半導(dǎo)體功率器件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) [J]. 四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1998(03):43-47, 51

[5] 潘江洪,蘇建徽,杜雪芳.IGBT 高壓大功率驅(qū)動(dòng)核保護(hù)電路的應(yīng)用研究 [J].電源技術(shù)應(yīng)用,2005(11):56-59, 63

Design and App lication of Inverter Unit Based on 2ED300C17-ST

Peng Tao， Tian Shaoju
（Dongfang Elecric Auto Control Engineering Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

This paper introduces a 2ED300C17-ST with the inverter unit,which is used to control the 1.5MW convertor of wind turbine.Based on the 2ED300C17-ST and IGBT of Infineon,the inverter unit is developed with high reliability,high capability，low price,good short circuit protection and over temperature protection.

2ED300C17-ST,IGBT

彭濤 （1978-）， 男， 寧夏人， 碩士， 工程師， 2006 年 7 月畢業(yè)于電子科技大學(xué)機(jī)械制造機(jī)器及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)， 主要從事火電控制及風(fēng)電變流器研究。