彭 濤 田紹據(jù)

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

基于 2ED300C17-ST 的功率單元設(shè)計及應(yīng)用

彭 濤 田紹據(jù)

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

介紹了基于 2ED300C17-ST 驅(qū)動模塊在 1.5MW 風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、高性價比、良好的短路保護和過溫保護等特點。

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。在風力發(fā)電行業(yè)中， 變流器采用 IGBT 整流和逆變技術(shù)來給電網(wǎng)送電，這樣可以根據(jù)不同的風速有效地將電機產(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)帶來的波動。變流器中的功率單元基本上都是采用的 IGBT 外加一個驅(qū)動電路來完成主要的逆變?nèi)蝿?wù)，再加上合適的散熱及機械結(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)動模塊和 IGBT， 通過合理的散熱及機械結(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)電機總體框圖

圖1 所示為雙饋風力發(fā)電機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 IGBT、 一個散熱器、一塊復(fù)合母線、六個電解電容、四個吸收電容、一個加熱電阻、一塊電路板及板金件等組件構(gòu)成。

直流電壓從復(fù)合母線正負端進入， 通過 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)動模塊采用 2ED300C17-ST 組成驅(qū)動及保護電路。

圖2 功率單元電路原理簡圖

3 系統(tǒng)硬件電路板設(shè)計

系統(tǒng)的 硬件主要基于 2ED300C17-ST 模塊，外圍設(shè)計短路保護電路和過溫報警電路。

3.1 英飛凌驅(qū)動模塊

3.1.1 模塊特點

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

·雙通道 IGBT 驅(qū)動

·Vcesat檢測

·發(fā)生故障時軟關(guān)斷技術(shù)

·滿足 EN50178 標準的安全電氣絕緣

·輸出電流可以達到 30A

·正負 15V 輸出電壓

·短脈沖抑制

·延遲時間短

·高抗干擾性

·欠壓保護功能

3.1.2 結(jié)構(gòu)功能簡述

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

3.1.3 關(guān)鍵電路設(shè)計

3.1.3.1 死區(qū)設(shè)計

死區(qū)的設(shè)計目的是避免 IGBT 上下管直通而導(dǎo)致炸管，可以通過改變電容的參數(shù)來進行設(shè)計。表1 為死區(qū)時間對應(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 的一個特性就是當一個通道接收到高電平時，另一個通道會保持低電平，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 IGBT 的開關(guān)動作， 通常會根據(jù) IGBT 開關(guān)特性以及軟件需求來進行死區(qū)的設(shè)置。 自帶死區(qū)的開關(guān)特性圖見圖4。

圖3 2ED300C17-ST 模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 自帶死區(qū)的開關(guān)特性圖

3.1.3.2 開關(guān)電阻設(shè)計

眾所周知，影響一個功率單元工作效果的最重要的參數(shù)就是開通和關(guān)斷電阻的設(shè)置。2ED300C17-ST 的最大驅(qū)動電流是 30A， 應(yīng)用在并聯(lián) IGBT 中， 則每一個 IGBT 最大驅(qū)動電流是 15A。式 （1）給出的是驅(qū)動一個 IGBT 所需要的功率。

f—開關(guān)頻率；

△VGE—IGBT 開關(guān)壓降；

Cies—IGBT 管本身電容參數(shù)。

通過式 （1）， 根據(jù)實際要求即可算出開通和關(guān)斷電阻值的范圍。具體選擇應(yīng)該根據(jù)實際要求進行綜合考慮， 在滿足 Vce電壓過沖過大的前提下，盡可能地減小驅(qū)動電阻，來降低發(fā)熱損耗。

3.1.3.3 短路保護電路設(shè)計

IGBT 在遇到過流或者過壓情況下會出現(xiàn)炸管現(xiàn)象。 一旦過壓，IGBT 無法有效保護自己，而出現(xiàn)短時過流情況下，IGBT 可以承受一定沖擊，于是過流保護電路的設(shè)計就成為目前比較可行的保護 IGBT 的一個措施。 2ED300C17-ST 中可以通過設(shè)置RC 參數(shù)，來起到保護 IGBT 的效果，如圖5 所示。

圖5 短路保護電路的RC設(shè)置

其中， RC的設(shè)置要根據(jù)實際需要來進行， 如圖6 所示， 合理的參數(shù)會保證 IGBT 安全可靠地工作，既不會出現(xiàn)誤報現(xiàn)象，也不會出現(xiàn)拒保現(xiàn)象。

圖6 短路保護波形圖

通常， IGBT 的過流保護時間是有限制的， 式（2）給出了合理的設(shè)置保護時間。

式中：

tP—IGBT 過流承受時間， 通常小于等于 10us；

tSD—SSD 延遲時間， 通常是 5us；

tSYS—模塊延遲時間， 通常是 1us；

tref—RC 參數(shù)設(shè)置的延遲時間。

4 抗干擾設(shè)計

·合理的布板能夠減少干擾，上下橋信號分開走線，避免干擾；

·強弱電走線間距大于 10mm；

·電源線應(yīng)盡量加粗?？墒剐盘栯娖椒€(wěn)定和增加抗干擾能力，使電源線能通過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，降低電源帶來的干擾。

5 結(jié)論

本功率單元采用 2ED300C17-ST 驅(qū)動控制模塊， 實現(xiàn)了對 IGBT 的控制和保護， 具有很強的安全性和抗干擾性。 作為公司自主開發(fā) 1.5MW 變流器配套使用，大大地降低了成本，使公司在風電變流器領(lǐng)域保持了較高的競爭力。同時，該功率單元尚存在不足之處，在這個項目的基礎(chǔ)上，今后會進一步優(yōu)化，爭取早日研制出更加可靠、穩(wěn)定的功率單元。

[1] 周志敏,紀愛華,編著.高效功率器件驅(qū)動與保護電路設(shè)計及應(yīng)用實例 [M].北京:人民郵電出版社,2009

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

[3]Heinz Ruidi.Intelligent Paralleling.2009.3

[4] 費凌,陳守強,張恕遠,黎亞元.電力半導(dǎo)體功率器件驅(qū)動電路設(shè)計 [J]. 四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報,1998(03):43-47, 51

[5] 潘江洪,蘇建徽,杜雪芳.IGBT 高壓大功率驅(qū)動核保護電路的應(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)機械制造機器及其自動化專業(yè)， 主要從事火電控制及風電變流器研究。