基于 2ED300C17-ST 的功率單元設計及應用

彭 濤 田紹據

(東方電氣自動控制工程有限公司， 四川 德陽， 618000)

基于 2ED300C17-ST 的功率單元設計及應用

彭 濤 田紹據

(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 驅動模塊在 1.5MW 風電變流器功率單元上的應用。 該功率單元采用 2ED300C17-ST 為內核的控制模塊， 以及英飛凌公司的 IGBT， 開發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中最基本的執行器件。在風力發電行業中， 變流器采用 IGBT 整流和逆變技術來給電網送電，這樣可以根據不同的風速有效地將電機產生的不同頻率的電流轉化成可以給電網輸送的 50Hz電流， 減少由于電流頻率不同給電網帶來的波動。變流器中的功率單元基本上都是采用的 IGBT 外加一個驅動電路來完成主要的逆變任務，再加上合適的散熱及機械結構等器件。本文提到的功率單元采用的是英飛凌公司的驅動模塊和 IGBT， 通過合理的散熱及機械結構組成，極大地保證了系統的正常工作，有效地提高了系統效率。

1 變流器總體框架

圖1 雙饋發電機總體框圖

圖1 所示為雙饋風力發電機組的功率單元基本結構框圖，其中功率單元分為網側功率單元和機側功率單元。網側功率單元完成的是交流變直流的作用，機側功率單元完成的是直流變交流的作用。

2 功率單元總體結構

2.1 基本構成

功率單元總體結構由兩個 IGBT、 一個散熱器、一塊復合母線、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成。

直流電壓從復合母線正負端進入， 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 的 第 四代 產 品FF1000R17IE4， 采用的是雙 IGBT 并聯模式， 驅動模塊采用 2ED300C17-ST 組成驅動及保護電路。

圖2 功率單元電路原理簡圖

3 系統硬件電路板設計

系統的 硬件主要基于 2ED300C17-ST 模塊，外圍設計短路保護電路和過溫報警電路。

3.1 英飛凌驅動模塊

3.1.1 模塊特點

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

·雙通道 IGBT 驅動

·Vcesat檢測

·發生故障時軟關斷技術

·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 結構功能簡述

圖3 所示 為 2ED300C17-ST 模塊的結構圖，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，高抗干擾性等優點。

3.1.3 關鍵電路設計

3.1.3.1 死區設計

死區的設計目的是避免 IGBT 上下管直通而導致炸管，可以通過改變電容的參數來進行設計。表1 為死區時間對應的 CA/CB 電容的參數值。

表1 死區設置參數表

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生。盡管此模塊可以有效避免直通的發生， 但是考慮到保護 IGBT 的開關動作， 通常會根據 IGBT 開關特性以及軟件需求來進行死區的設置。 自帶死區的開關特性圖見圖4。

圖3 2ED300C17-ST 模塊結構圖

圖4 自帶死區的開關特性圖

3.1.3.2 開關電阻設計

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

f—開關頻率；

△VGE—IGBT 開關壓降；

Cies—IGBT 管本身電容參數。

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

3.1.3.3 短路保護電路設計

IGBT 在遇到過流或者過壓情況下會出現炸管現象。 一旦過壓，IGBT 無法有效保護自己，而出現短時過流情況下，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 中可以通過設置RC 參數，來起到保護 IGBT 的效果，如圖5 所示。

圖5 短路保護電路的RC設置

其中， RC的設置要根據實際需要來進行， 如圖6 所示， 合理的參數會保證 IGBT 安全可靠地工作，既不會出現誤報現象，也不會出現拒保現象。

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 參數設置的延遲時間。

4 抗干擾設計

·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；

·電源線應盡量加粗。可使信號電平穩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；

·接地線盡量構成閉環路，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 結論

本功率單元采用 2ED300C17-ST 驅動控制模塊， 實現了對 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 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，在這個項目的基礎上，今后會進一步優化，爭取早日研制出更加可靠、穩定的功率單元。

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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 月畢業于電子科技大學機械制造機器及其自動化專業， 主要從事火電控制及風電變流器研究。