基于 2ED300C17-ST 的功率单元设计及应用

彭 涛 田绍据

(东方电气自动控制工程有限公司， 四川 德阳， 618000)

基于 2ED300C17-ST 的功率单元设计及应用

彭 涛 田绍据

(东方电气自动控制工程有限公司， 四川 德阳， 618000)

介绍了基于 2ED300C17-ST 驱动模块在 1.5MW 风电变流器功率单元上的应用。 该功率单元采用 2ED300C17-ST 为内核的控制模块， 以及英飞凌公司的 IGBT， 开发出了具有良好性能的用于 1.5MW 变流器的功率单元。 该功率单元具有高可靠性、高性价比、良好的短路保护和过温保护等特点。

2ED300C17-ST； IGBT

0 引言

功率单元是变流器系统中最基本的执行器件。在风力发电行业中， 变流器采用 IGBT 整流和逆变技术来给电网送电，这样可以根据不同的风速有效地将电机产生的不同频率的电流转化成可以给电网输送的 50Hz电流， 减少由于电流频率不同给电网带来的波动。变流器中的功率单元基本上都是采用的 IGBT 外加一个驱动电路来完成主要的逆变任务，再加上合适的散热及机械结构等器件。本文提到的功率单元采用的是英飞凌公司的驱动模块和 IGBT， 通过合理的散热及机械结构组成，极大地保证了系统的正常工作，有效地提高了系统效率。

1 变流器总体框架

图1 双馈发电机总体框图

图1 所示为双馈风力发电机组的功率单元基本结构框图，其中功率单元分为网侧功率单元和机侧功率单元。网侧功率单元完成的是交流变直流的作用，机侧功率单元完成的是直流变交流的作用。

2 功率单元总体结构

2.1 基本构成

功率单元总体结构由两个 IGBT、 一个散热器、一块复合母线、六个电解电容、四个吸收电容、一个加热电阻、一块电路板及板金件等组件构成。

直流电压从复合母线正负端进入， 通过 IGBT后，从交流铜排输出一相交流电。

2.2 电气原理

功率单元的电气原理图如图2所示，其中，IGBT 选 择 的 是 英 飞凌 公 司 生 产 的 第 四代 产 品FF1000R17IE4， 采用的是双 IGBT 并联模式， 驱动模块采用 2ED300C17-ST 组成驱动及保护电路。

图2 功率单元电路原理简图

3 系统硬件电路板设计

系统的 硬件主要基于 2ED300C17-ST 模块，外围设计短路保护电路和过温报警电路。

3.1 英飞凌驱动模块

3.1.1 模块特点

2ED300C17-ST 是英 飞凌公 司 专为 1200V/ 1700V eupec IGBT 设 计 的 驱 动 模块 。 该模 块 采 用隔离变压器， 双通道驱动传输方式， 具有以下特点：

·双通道 IGBT 驱动

·Vcesat检测

·发生故障时软关断技术

·满足 EN50178 标准的安全电气绝缘

·输出电流可以达到 30A

·正负 15V 输出电压

·短脉冲抑制

·延迟时间短

·高抗干扰性

·欠压保护功能

3.1.2 结构功能简述

图3 所示 为 2ED300C17-ST 模块的结构图，从图中可以看到， PWM信号采用的是隔离变压器传输模式，具有延迟时间短，高抗干扰性等优点。

3.1.3 关键电路设计

3.1.3.1 死区设计

死区的设计目的是避免 IGBT 上下管直通而导致炸管，可以通过改变电容的参数来进行设计。表1 为死区时间对应的 CA/CB 电容的参数值。

表1 死区设置参数表

2ED300C17-ST 的一个特性就是当一个通道接收到高电平时，另一个通道会保持低电平，可以避免上下管直通的发生。尽管此模块可以有效避免直通的发生， 但是考虑到保护 IGBT 的开关动作， 通常会根据 IGBT 开关特性以及软件需求来进行死区的设置。 自带死区的开关特性图见图4。

图3 2ED300C17-ST 模块结构图

图4 自带死区的开关特性图

3.1.3.2 开关电阻设计

众所周知，影响一个功率单元工作效果的最重要的参数就是开通和关断电阻的设置。2ED300C17-ST 的最大驱动电流是 30A， 应用在并联 IGBT 中， 则每一个 IGBT 最大驱动电流是 15A。式 （1）给出的是驱动一个 IGBT 所需要的功率。

f—开关频率；

△VGE—IGBT 开关压降；

Cies—IGBT 管本身电容参数。

通过式 （1）， 根据实际要求即可算出开通和关断电阻值的范围。具体选择应该根据实际要求进行综合考虑， 在满足 Vce电压过冲过大的前提下，尽可能地减小驱动电阻，来降低发热损耗。

3.1.3.3 短路保护电路设计

IGBT 在遇到过流或者过压情况下会出现炸管现象。 一旦过压，IGBT 无法有效保护自己，而出现短时过流情况下，IGBT 可以承受一定冲击，于是过流保护电路的设计就成为目前比较可行的保护 IGBT 的一个措施。 2ED300C17-ST 中可以通过设置RC 参数，来起到保护 IGBT 的效果，如图5 所示。

图5 短路保护电路的RC设置

其中， RC的设置要根据实际需要来进行， 如图6 所示， 合理的参数会保证 IGBT 安全可靠地工作，既不会出现误报现象，也不会出现拒保现象。

图6 短路保护波形图

通常， IGBT 的过流保护时间是有限制的， 式（2）给出了合理的设置保护时间。

式中：

tP—IGBT 过流承受时间， 通常小于等于 10us；

tSD—SSD 延迟时间， 通常是 5us；

tSYS—模块延迟时间， 通常是 1us；

tref—RC 参数设置的延迟时间。

4 抗干扰设计

·合理的布板能够减少干扰，上下桥信号分开走线，避免干扰；

·强弱电走线间距大于 10mm；

·电源线应尽量加粗。可使信号电平稳定和增加抗干扰能力，使电源线能通过3倍于印刷电路板上的允许电流；

·接地线尽量构成闭环路，可增加抗干扰能力；

·配置去耦电容。 电源输入端接 10～100μF 的电解电容；

·增加共模抑制线圈，降低电源带来的干扰。

5 结论

本功率单元采用 2ED300C17-ST 驱动控制模块， 实现了对 IGBT 的控制和保护， 具有很强的安全性和抗干扰性。 作为公司自主开发 1.5MW 变流器配套使用，大大地降低了成本，使公司在风电变流器领域保持了较高的竞争力。同时，该功率单元尚存在不足之处，在这个项目的基础上，今后会进一步优化，争取早日研制出更加可靠、稳定的功率单元。

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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

彭涛 （1978-）， 男， 宁夏人， 硕士， 工程师， 2006 年 7 月毕业于电子科技大学机械制造机器及其自动化专业， 主要从事火电控制及风电变流器研究。