近年來，1500Vdc組串式逆變器憑借其在度電成本（LCOE）上的優(yōu)勢，成為國內(nèi)外電站的主流解決方案。針對(duì)體積和重量的需求，提高單機(jī)的功率等級(jí)是組串式逆變器降低成本、實(shí)現(xiàn)平價(jià)上網(wǎng)的重要手段。應(yīng)用混合型封裝的多電平功率模塊，可以使逆變器在效率和功率密度上獲得提升。采用Easy-3B封裝的功率模塊，其單機(jī)功率等級(jí)可以達(dá)到200kW甚至更高。
針對(duì)光伏多電平混合功率模塊的市場需求，青銅劍技術(shù)推出了適用于ANPC拓?fù)涞腅asy-3B封裝，并基于IGBT + SiC MOSFET的混合型模塊驅(qū)動(dòng)器6QP0214T12-ANPC。
該驅(qū)動(dòng)器采用數(shù)字式的控制策略，對(duì)橋臂所在六通道信號(hào)進(jìn)行時(shí)序判定，防止錯(cuò)誤的開關(guān)和保護(hù)時(shí)序。6QP0214T12-ANPC不僅具有常規(guī)的欠壓保護(hù)，退飽和短路保護(hù)等功能，針對(duì)SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)部分額外增加了米勒鉗位功能，以保證其可靠關(guān)斷。
圖1 驅(qū)動(dòng)器外觀圖
一、混合型功率模塊介紹
上文提到的Easy-3B混合模塊是英飛凌新推出的一款內(nèi)部既有IGBT又有SiC MOSFET的混合型模塊，型號(hào)為F3L6MR12W3M1_B11_ENG。其外觀和拓?fù)淙鐖D2所示，該模塊用于中點(diǎn)鉗位的T1、T4、T5、T6采用了1200V/150A的IGBT，而M2、M3采用了1200V/6mΩ的SiC MOSFET。
圖2 Easy-3B混合型模塊外觀和內(nèi)部拓?fù)鋱D
二、混合型ANPC拓?fù)涔β誓K控制策略
由于NPC1拓?fù)渲械膬蓚€(gè)鉗位二極管變成了IGBT，使得ANPC拓?fù)涞恼{(diào)制策略非常靈活。采用ANPC拓?fù)溆欣趦?yōu)化換流回路以及損耗在不同器件上的均分，在有功和無功情況下都可以通過短換流回路換流，從而解決長換流回路時(shí)由于雜散電感較大導(dǎo)致的器件電壓應(yīng)力過大的問題。
ANPC拓?fù)涞腇3L6MR12W3M1_B11_ENG模塊，其內(nèi)管M2、M3為碳化硅器件。為了充分發(fā)揮碳化硅器件開關(guān)損耗低的特點(diǎn)，采用兩快四慢的調(diào)制方式。如圖3所示，在調(diào)制上半周時(shí)T1、T6保持常開狀態(tài)，T4、T5保持關(guān)閉，內(nèi)管M2、M3都是進(jìn)行高頻工作。在調(diào)制下半周時(shí)T1、T6保持關(guān)閉，T4、T5保持常開狀態(tài)，但內(nèi)管M2、M3仍都是進(jìn)行高頻工作。內(nèi)管M2、M3工作頻率在40kHz以上，這使得母線支撐電容以及后級(jí)的電抗都獲得大幅的減小，提升整機(jī)的功率密度。
圖3 一種ANPC拓?fù)涞恼{(diào)制策略
三、驅(qū)動(dòng)器亮點(diǎn)解析
1、集成信號(hào)邏輯判斷與處理
6QP0214T12-ANPC基于ANPC拓?fù)湔{(diào)制策略，利用其原邊的CPLD芯片對(duì)輸入的PWM控制信號(hào)進(jìn)行邏輯時(shí)序準(zhǔn)確性判斷，并嚴(yán)格按照邏輯時(shí)序工作要求對(duì)器件的開關(guān)進(jìn)行控制。在正常工作時(shí)，驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的主要邏輯時(shí)序如表1所示。
表1 正常工作時(shí)邏輯時(shí)序
另外驅(qū)動(dòng)器對(duì)信號(hào)頻率異常以及信號(hào)寬度異常也能進(jìn)行判斷，消除因?yàn)楦蓴_信號(hào)引起的誤開關(guān)。在故障情況下，驅(qū)動(dòng)器通過數(shù)字芯片的控制能及時(shí)地以一定關(guān)斷順序進(jìn)行安全關(guān)斷功率模塊。其關(guān)斷順序?yàn)橄汝P(guān)T1/T4，再關(guān)T5/T6,最后關(guān)M2/M3。
2、SiC MOSFET（M2/M3）的應(yīng)力優(yōu)化
① NPC1以及ANPC拓?fù)涿堪脒呌袃蓚€(gè)換流回路；一個(gè)短換流回路，一個(gè)長換流回路，具體路徑如下圖4所示。M2/M3工作于長換流回路，這就需要驅(qū)動(dòng)器關(guān)注其開關(guān)應(yīng)力。
圖4 短換流回路與長換流回路
6QP0214T12-ANPC針對(duì)M2/M3的開關(guān)加入分級(jí)關(guān)斷功能，可以有效減少其在長換流回路中大電流關(guān)斷的電壓應(yīng)力。圖5為M2在750V/200A條件下的關(guān)斷波形，從圖中可以看出驅(qū)動(dòng)器很好地控制了M2的電壓尖峰。
通道1:VGS-M2 通道2：VDS-M3 通道3：ID-M3 通道4：VDS-M2
圖5 M2關(guān)斷波形
② 驅(qū)動(dòng)器在SiC MOSFET驅(qū)動(dòng)通道的驅(qū)動(dòng)級(jí)加入了米勒鉗位功能，防止互鎖的兩個(gè)SiC MOSFET中某一個(gè)SiC MOSFET開通時(shí)，由于米勒效應(yīng)導(dǎo)致另一個(gè)SiC MOSFET同時(shí)誤開通。
3、SiC MOSFET的短路故障穿越
在NPC1或者ANPC拓?fù)渲?，由于單個(gè)開關(guān)器件能承受系統(tǒng)一半的母線電壓，這就需要控制功率模塊中的每個(gè)管子以正確的時(shí)序進(jìn)行開關(guān)。在正常工作中，其開關(guān)時(shí)序主要由主控板發(fā)出；在異常情況下（比如模塊發(fā)生了短路故障），需要驅(qū)動(dòng)器主動(dòng)對(duì)功率模塊進(jìn)行控制，保證其以正常邏輯進(jìn)行關(guān)斷，防止模塊失效。一般情況下在檢測到故障，需要先關(guān)斷外管，再關(guān)斷內(nèi)管。
在本ANPC拓?fù)涞墓β誓K中，內(nèi)管為SiC MOSFET，其短路耐受能力3us左右。結(jié)合拓?fù)?，這就引入了一個(gè)非常大的難題：即在這么短的時(shí)間內(nèi)既要保證正常工作時(shí)不產(chǎn)生誤報(bào)故障，同時(shí)還要遵循先關(guān)外管再關(guān)內(nèi)管的時(shí)序。6QP0214T12-ANPC驅(qū)動(dòng)器針對(duì)此難點(diǎn)專門設(shè)計(jì)了短路保護(hù)策略，即短路故障穿越策略。
該策略利用SiC MOSFET短路耐受時(shí)間與短路時(shí)開通電壓成反比的關(guān)系（短路時(shí)器件的門極開通電壓越低，短路電流越小，短路耐受時(shí)間越長）：在內(nèi)管的SiC MOSFET檢測到短路故障后，會(huì)先將門極電壓由正常開通時(shí)的17V降到12.5V，持續(xù)1.2us；在這1.2us中，驅(qū)動(dòng)器會(huì)先關(guān)斷外管T1/T4，再關(guān)T5/T6；1.2us后，再將內(nèi)管M2/M3關(guān)斷，與此同時(shí)驅(qū)動(dòng)器輸出故障信號(hào)。
圖6為模擬故障時(shí)的關(guān)斷時(shí)序，從圖中可以看出M2先降低了它的門極開通電壓，然后以T1、T6、M2的先后順序進(jìn)行了關(guān)斷。
通道1:VGE-T6 通道2：VGE-T1 通道3：VGS-M2
圖6 模擬故障時(shí)關(guān)斷時(shí)序
圖7為在750V情況下，對(duì)M2進(jìn)行短路試驗(yàn)的結(jié)果。從圖中可以看出，當(dāng)門極電壓由17V降低到12.5V后短路電流由2.52kA降低到了1kA。短路的檢測時(shí)間為1.5us，進(jìn)行關(guān)斷的時(shí)間為2.75us。
通道1：VGS-M2 通道2：VDS-M2 通道3：ID-M2
圖7 M2短路保護(hù)測試波形
綜上所述，6QP0214T12-ANPC驅(qū)動(dòng)器利用創(chuàng)新性的思路，解決了內(nèi)管SiC MOSFET短路保護(hù)與關(guān)斷時(shí)序的問題，從而保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。
四、功率模組測試
我們對(duì)6QP0214T12-ANPC搭載功率模塊的運(yùn)行情況也進(jìn)行了評(píng)估。圖8為測試等效電路，采用的是兩個(gè)功率單元對(duì)拖的形式。圖9為功率單元的實(shí)物圖形。
圖8 測試等效電路
圖9 功率單元實(shí)物圖
圖10，圖11和圖12為功率單元在1500V，輸出有效電流100A時(shí)的工作波形。
通道1:VDS-M2 通道2:VDS-M3 通道3:L1電壓 通道4:L1電流
圖10 M2/M3測試波形
通道1:VCE-T1 通道2:VCE-T4 通道3:L1電壓 通道4:L1電流
圖11 T1/T4測試波形
通道1:VCE-T5 通道2:VCE-T6 通道3:L1電壓 通道4:L1電流
圖12 T5/T6測試波形
從上圖波形可以看出外管IGBT以及內(nèi)管SiC MOSFET工作情況良好，符合預(yù)期。
五、總結(jié)
本文針對(duì)1500V系統(tǒng)光伏逆變器ANPC拓?fù)涞腅asy-3B混合型模塊驅(qū)動(dòng)器的邏輯時(shí)序處理，內(nèi)管SiC MOSFET的應(yīng)力優(yōu)化和短路故障穿越難點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)分析介紹，以及功率模組測試驗(yàn)證結(jié)果分享。6QP0214T12-ANPC驅(qū)動(dòng)器憑借其先進(jìn)的控制及保護(hù)策略，可以完美適配于該新型IGBT + SiC MOSFET的混合模塊。
