PI 轨道交通和风电应用再添新品

日期:2021-10-02

作者:刘洪,PSDC 主编
Power Integrations (PI)近日举办线上新品发布沟通会,高级应用工程师王皓介绍了刚刚推出的两款新产品——SCALE-iFlex™ LT和SCALE-iFlex™ Single,旨在扩展2019年推出的SCALE-iFlex系列在轨道交通和风电领域的应用范围。王皓表示,作为功率变换领域的全球领军者,PI 一直致力于高效节能,提供出色的质量和大批量交付能力以及全方位的设计支持工具,为电力电子领域的设计人员带来便捷好用的功率半导体器件。
据介绍,PI 的功率产品和解决方案主要针对五个应用领域 :高能效 AC-DC 电源用 IC 产品;助推 LED 照明革新的高效率驱动器 IC;对安全要求极其严格的关键系统用高可靠性 IGBT 驱动器;高效率、高可靠性、高集成度的电机驱动器;以及支持 400V 和 800V 应用的汽车级门极驱动器和功率解决方案。此次推出的产品属于高可靠性IGBT 驱动器。
 
大功率系统设计的挑战
使用传统驱动电路实现大功率系统的功率灵活扩展很有挑战性,首先,直接驱动并联的多个IGBT 会导致不匹配问题,如共模循环电流会降低效率,需要复杂的校正电路等;其次,由于较高功率的门驱动模块器件选择有限,不合于使用更大的开关,加大占位空间,增加成本。
随着高压大功率能量变换系统的需求日益增长,电力电子变换器技术也在发展,架构紧凑、减少部件数和尺寸、提升功率密度的模块化变换器的使用越来越多。现在,IGBT 功率模块的并联非常流行,因为它可以在使用简单、低压元件的同时提供高变换器输出功率。并联还支持模块化变换器设计,可以轻松调整输出功率。然而,变换器设计者需要考虑不同的动态和静态影响因素,以实现较高的变换器效率。
为应对模块化功率变换的挑战,两年前 PI 推出了SCALE-iFlex 产品系列,实现了配备主控制器的并联应用门级驱动产品。该驱动器具有高性能、完善的保护功能和高度的设计灵活性,可实现出色的均流控制并提高效率。同时,它简化了可再生能源应用中的可扩展 IGBT 并联,实现了高效的模块化变换器设计。
 

全栈功率解决方案
 
SCALE-iFlex 由两部分组成,一个是绝缘主控单元(IMC),提供系统绝缘和门极驱动信号(有多个门极驱动模块)、故障报告和 DC-DC 供电;另一个是有源模块适配型门极驱动器(MAG),它是独立门极驱动单元,处理开关指令,并通过高级软关断(ASSD)检测、报告短路和过电压事件并作出反应。SCALE-iFlex 支持 IGBT 和碳化硅,功能比较全面,市场反应很好。
 

SCALE-iFlex 门级驱动方式
 
但是,由于风电和牵引领域的成本压力,有些系统需要并联,客户又不愿意承担太多的成本,同时也不需要有太多的其他功能,所以基于这个市场动向,PI 又开发了 SCALE-iFlex 系列中的 SCALE-iFlex LT 和 SCALE-iFlex Single,以支持要求更为严格的环境。
 
简化版满足风电应用需求
风电装机容量增长迅猛,特别是离岸风场建设需求强劲,据预测,2030 年风电装机容量将达到 2005GW,2050 年达到 6044GW。风电应用需要更高的可靠性和高度的灵活性。
PI 的 SCALE-iFlex LT 是原来产品的一个简化版本,特别适用于风电领域的成本范围。其主要特点包括最大耐压支持 IGBT 1700V,最多支持六个通道并联,这在风冷应用中是很普遍的并联数目。
SCALE-iFLex LT 支持 17mm IGBT 模块轻松并联,可根据系统要求进行扩展。灵活并联可实现高系统电流;高度耐用和抗噪(消除发射极串扰电流)以及精确的短路保护。
 

六并联驱动方案
 
该驱动方案的最大特点是可以保证并联应用中每个模块的开关性能非常一致,也就是常说的并联均流性。在电路设计中考虑了 IMC 的抗干扰能力,还有并联中很难解决的并联串扰的电流问题。此外,每个模块都有单独的短路保护功能,这是区别于其他厂商的一些特点。
实际高压测试显示,红、蓝、绿门极信号在动态时高度重叠。它是 IGBT 开通关断瞬间产生的动态均流效果,而不是续流之前产生的效果。在整机设计中,动态均流配合整机结构设计最终可以达到静态均流非常好的效果。可以看到,600A 模块的电流开通,3 个模块之间的波形只有正负 20A,折算下来大概是 3% 左右。
PI 驱动方案的信号同步性做的非常好,因此才能在最终的高压测试中控制均流效果。另外,即使存在高母排寄生电感,高级有源钳位功能也可以提供过电压控制。无论客户的母排电感设计的杂散电感是高还是低,都能完美控制电压尖峰,保证应用不会损坏。在小杂散电感时,有差不多 200V 过冲,因为是 1200V 的模块,裕量大于 90%。
 

模块之间的精确均流
 
杂散电感增大时,波形会变化,因为高级有源钳位功能已经完全介入,把电压尖峰持续控制在一个安全水平,裕量略有减少,但基本上是在 90% 的安全裕量之内。
 

高级有源钳位功能
 
目前,SCALE-iFlex LT 的 MAG 支持的模块包括英飞凌的 EconoDUAL 3 以及三菱电机、ABB、富士电机的其他厂家相同封装的模块。
 
满足牵引应用单模块应用需求
尽管新冠疫情导致经济放缓,但全球电气化铁路运输市场仍将稳步增长。预测表明,全球电力机车车组市场价值将从 2019 年的 85 亿欧元增长至 2024 年的 125 亿欧元。
为了满足牵引需求,PI 发布了 SCALE-iFlex Single 驱动器产品,根据牵引领域的母线模块有单模块的应用需求,最大耐压做到了 3300V。
新产品支持铁路、轻轨、有轨电车和地铁,在使用单个 IGBT 模块时,SCALE-iFlex Single 可以体现其高性价比的优势,满足轨道交通应用中的常见要求,将 IMC 和MAG 直接安装在 IGBT 模块上。
SCALE-iFlex Single 的优势在于:
· 完善的保护特性 :如退饱和检测的短路保护和高级有源钳位(AAC)过压保护和故障状态报告功能;
· 出色的功率输出能力 :每通道 20A 峰值输出电流、高达 5W DC-DC 功率及 1.5W 功率 @85℃环境温度;
· 薄平合规 :仅 44mm 高,加强绝缘高达 3.3kV IMC 绝缘(加强)及高达 1700V MAG 绝缘(基本),符合轨道应用规定的绝缘标准,如抗冲击和抗振性能标准 IEC61373-Class 1B;电磁兼容性(EMC)IEC 61000-4-x;环保标准 IEC 60068-2-x。
目前,SCALE-iFlex Single 支持低压和高压外壳的标准100×140mm 双通道模块,包括英飞凌、三菱电机的模块。
 
SCALE-iFlex 家族产品解决了哪些难题?
王皓解释说,通常,使用单个驱动电路并联 IGBT 模块会产生发射极循环电流,导致效率较低。控制板需要向每个开关模块发送开关信号,通过开关模块上的无源滤波和检测电路将故障以模拟信号形式报告给中央控制器,本地驱动板对故障不作反应。另外,大环路会产生共模电流,可变传输延迟高达 800ns,需要将开关频率限制在约 5kHz,这样对噪声 /EMI 的敏感度就会增加,会出现误触发;驱动器之间的不匹配也会导致抖动;检测电路受传输延迟的影响导致保护延迟。
 

发射极循环电流的影响
 
在故障保护方面,传统的并联工作方式的开关是由控制板驱动的,独立门极电路仅对信号进行滤波,而不处理故障。直接驱动并联 IGBT 模块时,驱动不匹配还可导致无法实现精确的均流。
SCALE-iFlex 家族产品可通过相同的硬件组实现更高的功率输出,同时降低系统成本,特别是功率效率的提升相当可观。
 

传统的并联方式的缺点
 
SCALE-iFlex 家族产品系列集成过压保护,提供快速保护功能,可防止系统短路。根据任务需求,还可以对SCALE-iFlex 家族产品进行优化,利用这一高集成度即插即用解决方案简化并联 IGBT 设计,匹配不同的散热策略,灵活支持行业标准封装、不同的拓扑结构和系统电压,因此适用于要求非常严格的轨道交通和风电逆变器。
 

符合绝缘要求的外形尺寸
 
为什么采用 SCALE-2™ 技术?
上述产品的绝缘主控单元为什么都采用了成熟的SCALE-2™ 技术呢?原来,SCALE-2™ 芯片组是 PI SCALE™ 创新技术,可以在短路时实现软关断(SSD),而无需使用额外的元件;还具有高级有源钳位(A2C)或动态高级有源钳位(DA2C)功能。其第一款产品见诸于 2014 年的SCALE-2™ IGBT 驱动核。与传统解决方案相比,SCALE-2 ASIC 芯片组采用精密的数字控制算法,可将元件数量减少多达 85%,因此能够显著提高可靠性。
 

采用 SCALE-2™ 技术的绝缘主控单元
 
之后 PI 又推出了采用该技术的即插即用型门极驱动器,以满足 HVDC VSC(高压柔性直流输电)、STATCOM(静止同步补偿器)/FACTS(柔性交流输电系统)和 MVD(中压变频器)等高可靠性应用。
采用成熟 SCALE-2™ 技术的绝缘主控单元有 +15V 电气接口和故障报告功能;加强绝缘符合 IEC61800-5-1 标准;坚固的电缆连接以机械锁防止极性反转;坚固的信号母线抗 EMI;原方和副方欠压保护功能。
PI 的模块适配型门极驱动器内置 IGD(智能门级驱动)模拟芯片,可确保使用较小的门极驱动环路实现精确控制和开关;稳定的 +15V 开通电压实现出色的并联开关;高级有源钳位快速、独立的过压保护;提供退饱和检测的短路保护。
 
还可以定制哦
上述产品 2021 年第四季度全面投产,可提供测试报告及其他定制选项。为满足环保、延长使用寿命的要求,产品还提供三防漆及 24 小时老化工艺选项。
 
www.powerint.cn
 
 

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