数字IGBT驱动技术在高可靠性APF_SVG产品中的应用_洪磊

TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23数字IGBT驱动技术在高可靠性APF/SVG产品中的应用杭州飞仕得科技有限公司TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23大纲−APF/SVG产品的可靠性−NPCI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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23APF/SVG产品的可靠性L1L2RsRdCABCNMCUPowerTOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23APF/SVG产品的可靠性母排6%电容9%散热系统15%驱动器19%IGBT39%其他12%母排电容散热系统驱动IGBT其他【Source:U.Choi,F.Blaabjerg,K.Lee,“StudyandHandlingMethodsofPowerIGBTModuleFailuresinPowerElectronicConverterSystem”IEEETrans.PowerElectron.,vol.30,no.5,pp.2517-2533,May.2015.]失效率：IGBT+驱动器50%TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23APF/SVG产品的可靠性100A/两电平：800×600×2200mm³100A/三电平：447×620×267mm³体积减小近80%更高效率，更高功率密度，更低系统成本TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23大纲−APF/SVG产品的可靠性−NPCI型三电平系统挑战−Firstack智能解决方案−Firstack实际应用案例−总结TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23NPCI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+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-1+1-1S1S2D1D2ACCTOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内外管的时序问题S1S2S3S4H进制输出1100C+101004+101106000102000113-100102001106001004+11100C+1NPCI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S1和S3互补，S2和S4互补原则+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-1TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内外管的时序问题S1S2S3S4H进制输出1100C+101004+101106000102000113-100102001106001004+11100C+1+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-10011正常3模态下，电流流过S3，S4，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S3还是先关S4？TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内外管的时序问题+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-10001+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-10010先关S3，S3承受整个母线电压，S3过压损坏！VCE_S3=VDCVCE_S3=1/2VDCTOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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（1~2us）！解决了过压，但时序问题仍然存在FAULT_S3SC/UVLOVGE_S4FAULT_S4VGE_S3TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内管先关风险分析VCE_S3_max=4.20kVIS3_max=4.8*InomVDC=5800V,S3先于S4关断4us钳位效果良好，但S3的损耗与短路工况相当CH1：VCE_S3CH2：VCE_S4CH3：IC_S3CH4：IC_S4VDCPN0S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACiLIGBT型号：FZ1200R45KL3TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23!成本高：TVS数量多（16~32/相）!有源钳位阈值设置需谨慎：!母线电压波动!中点不平衡（5~10%）!TVS精度（5~10%）&温漂（5~10%）!S3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IIITOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内管关断尖峰过高+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-10100Loop大换流回路：6-4模态切换，换流回路穿过C1，D1，S2，S3，D6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80~100nH左右+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-10110LoopTOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内管关断尖峰过高---传统解决方案I−方案I：加吸收电容+10S1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACC1C2-1CsnubberCsnubber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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内管关断尖峰过高---传统解决方案II−方案II：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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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？TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23大纲−APF/SVG产品的可靠性−NPCI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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23Firstack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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23Firstack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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23NPCI型拓扑构成VDCPN0S1S2S3S4D1D2D3D4DC1DC2AC英飞凌：EasyPACKVincotech：flowNPC1TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23内外管的时序问题解决方案SMARTOSPrimarySecondaryPWM1~4FaultPNS1S2S3S4D1D2D3D4D5D6ACFault4Fault1ONDriverModule4......MLTOOFFONMLTOOFFDriverModule1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OSTOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23欠压状态下时序关断+15VFAULTUVLOVGE_S3VGE_S4欠压点S4VCCS3驱动电源欠压状态下，先关断外管S4，再关断内管S3CH1：VGE-S3CH2：VccCH4：VGE-S4TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23短路状态下时序关断S3S4VDC=900V、IC=150A、F3L150R07W2E3_B11、NPC两并联、S3管FAULT_S3SCVGE_S4FAULT_S4VGE_S3CH1：VGE-S4CH2：VCE-S4CH3：ICCH4：VGE-S3S3管短路状态下，先关断外管S4，再关断内管S3TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23Firstack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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23分级关断R1R2R3（-10V）Vss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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23CH1:VGECH2:VCECH3:IC1CH4:IC2VCE-MAX△V正常关断620V168V分级关断556V108V△V35%VDC=900V、IC=150A、F3L150R07W2E3_B11,NPC两并联F3L150R07W2E3_B11两并联可实现150A的APF分级关断TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23Firstack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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23大纲−APF/SVG产品的可靠性−NPCI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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23380VAC/100kVA变流器应用380VAC/100kVA三电平变流器•F3L150R07W2E3_B11两并联•最大开关频率20kHz•功率模组体积：430*250*183mm3•应用：光伏/UPS/APF/SVG/储能SMARTOS（Firstack）−智能时序管理−分级关断−智能故障分类SMARTOS（D-Core）D-Core(提供免费的参考模组设计方案)TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23大纲−APF/SVG产品的可靠性−NPCI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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23总结APF/SVG产品中IGBT及其驱动器可靠性尤为重要NPCI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TOPSMARTGATEDRIVER2019/8/23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!