产品速递 | 青铜剑技术应用于风电变流器三电平拓扑的高性价比IGBT驱动方案

2021-10-15 10:26

前言

根据2020年12月12日国家主席习近平在气候雄心峰会上发表的重要讲话,到2030年中国单位国内生产总值二氧化碳排放将比2005年下降65%以上,非化石能源占一次能源消费比重将达到25%左右,风电、太阳能发电总装机容量将达到12亿千瓦以上,风电行业将会迎来新一轮的发展热潮。


随着风电行业的发展,以及受到补贴退坡、平价上网的影响,风电行业核心诉求变为追求度电成本的下降,这就要求风电系统在具有更高效率的同时还要拥有更低的价格,意味着风机系统需进一步大型化和高压化。同时,三北市场的回归和海上风电的蓬勃发展,也为大型风电系统提供了足够的场地条件。海上风电由于高昂的维护成本,对可靠性提出了更高的要求。

相应地,系统也对风电变流器提出了更高的要求:

  • 电气方面:交流电压由690V逐步向1140V提升,主力功率段也上升到2.5~3MW,更高功率的机型占比也在逐年增加,最高功率已经达到12MW,这使得I型三电平将成为风电变流器的主流拓扑

  • 可靠性方面:由于高昂的维修费用和停机损失,对失效率的要求也愈加严苛

  • 供应方面:由于本行业和同领域其他行业快速增长挤占大量产能,且疫情造成产能大幅下降,供应形势十分严峻,对特殊物料的选择就显得格外重要


为响应市场需求,解决客户端的燃眉之急,青铜剑技术苦心钻研,推出适用于风电变流器的新型IGBT驱动解决方案6AB0460T17

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  • 该方案采用主板+门极板的组合方式,通过调整门极板可以适配62mm、EconoDualTM3、PrimePackTM3等多种封装形式

  • 采用自研的ASIC芯片搭建核心电路,减少外围电路设计,可靠性高

  • 以变压器做为唯一的隔离器件,器件性能不会随时间衰减,稳定性好,采购方便

  • 无CPLD设计,提高了产品的可采购性

  • 六通道输出,支持NPC1和ANPC I型三电平拓扑

  • 单通道峰值驱动电流60A,驱动功率4W,最多可支持EconoDualTM3和62mm封装4并联或PrimePackTM3封装2并联

  • 高绝缘设计,最高可满足1700V IGBT的应用场景

  • 可支持DB15、DB25或30PIN牛角等多种输入接口

  • 集成模拟控制的智能关断技术

  • 集成VCE短路检测、软关断功能

  • 设计紧凑,主板尺寸仅为299.5mm*160mm

  • 工作环境温度-40~85℃

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不同于传统的I型三电平驱动控制和隔离方案,6AB0460T17采用青铜剑技术最新研发的驱动芯片组,在芯片内部集成模拟控制延时电路,前端控制侧无需再外置CPLD,并采用变压器这种性能不会随着时间衰减的器件作为唯一的隔离器件,极大地降低了产品的失效率,提高了产品的可靠性。

青铜剑自主研发的驱动芯片组如下图所示:

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芯片组由一个原边芯片和两个副边芯片组成。原边芯片集成信号调制、解调、电源发波功能并和整机控制侧进行数据交互。副边芯片集成信号调制、解调、正负压稳压功能以及IGBT驱动所需的驱动能力、VCE短路检测、软关断等功能。芯片组高度集成化使得外围电路设计简单,极大地减小了元器件的数量,提高了系统集成度,抗干扰性好,可靠性高。

方案通过变压器实现隔离,由一个供电电源变压器和两个信号变压器组成。供电电源变压器采用一个原边绕组+两个副边绕组,由原边芯片发波,驱动电源主MOS管进行斩波,副边采用外部整流,并通过芯片内部稳压器输出稳定的正压和可靠的负压。信号变压器由一个原边绕组+一个副边绕组实现,信号的传输采用半双工的方式进行,发送和接收通过同一个变压器,采用脉冲方式传输,通过不同的脉冲来表示开通、关断和故障状态。

这一隔离方案摆脱了绝大数隔离驱动芯片封装安规距离仅有7.8mm的限制,原材料易于获取,在满足风电行业要求的同时解决了现在隔离驱动芯片紧缺的困境。并且变压器的磁通在产品生命周期内非常稳定,不会随着时间而衰减,可以满足风电行业特别是海上风电日益提高的可靠性要求

另外,I型三电平在保护时存在一个重大的问题:在内外管同时导通时若先关闭了内管,会导致内管可能承受全母线电压而过压损坏,因此一般I型三电平驱动中会增加智能关断技术,即在发生故障时,外管先关闭,内管延时一段时间再关闭。在传统的IGBT驱动设计中,由于实现逻辑较为复杂,会通过集成CPLD之类的可编程逻辑器件实现该功能,但这无疑会增加系统的复杂性和成本。

青铜剑技术为解决这一问题,在副边ASIC芯片中集成了相应的模拟延迟电路,电路图如下:

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当副边芯片检测到故障后,芯片产生故障信号,向原边芯片发送故障信号。同时,该故障信号会将副边芯片内部恒流源打开,使得后级比较器输入级超过阈值使得比较器翻转,关闭驱动输出。这一比较器的输入端引出到芯片外部,即FAULT脚。在此引脚增加一个电容后,当故障信号产生,比较器输入级不会马上达到阈值,而需要依靠恒流源对电容进行一段时间的充电后达到阈值电压再对驱动进行关断,但副边芯片对原边芯片发送的故障信号会立即发送。

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通过该电路,驱动可以实现驱动输出在原边出现故障信号延时一段时间后再关闭,延时时间可通过电容进行灵活配置。内管在这一段延时时间内仍然会发送故障信号,控制外管优先关闭,在外管关闭后再允许内管关闭。这一方案取消了CPLD这一类可编程逻辑器件,提高了驱动产品的可采购性,并降低了系统设计的复杂性。