1.引言

  针对1kVac以上系统电压的高压大功率电力电子系统应用场景，英飞凌经典封装IHM-B模块，广泛应用于大功率变频器、轨道交通牵引变流器、大功率静止无功补偿器SVG等应用领域。

  随着相关行业的快速发展及竞争加剧，对IGBT及相应配套的驱动器提出了：高可靠性，低成本，智能化等要求。同时，新出现的2kVac系统电压应用场景，以及变流器拓扑从两电平发展到三电平(含NPC或者ANPC),对驱动器在复杂拓扑下如何可靠保护IGBT提出了更高的要求。

  传统IGBT驱动器面临这些新的挑战存在较大的不足，Firstack在十多年数字驱动设计和应用的经验基础上，基于自研ASIC芯片技术，开发了适用于3300V的IHM-B封装IGBT的新一代高集成度智能驱动器1FHD0635。

2.产品简介

  1FHD0635是Firstack新一代高集成度数字IGBT驱动器，适用于两电平及多电平变流器，同时集成了V_CE短路保护、di/dt短路保护、高级动态有源钳位、电源检测、分级关断以及“智能故障管理”等多种功能于一体，为IGBT提供最优化的保护，其良好的EMC特性，保证在恶劣的电磁场环境下亦可有效保护IGBT。

  该驱动器适用于140mm*190mm及140mm*130mm IHM-B封装，支持不同厂商相同封装的1700V、3300V的IGBT模块，即插即用，无需其他外围电路，即可安全可靠地驱动IGBT模块。

图1 1FHD0635效果图

3.典型应用领域

√ 中压变频

√ 轨道交通

√ 工业控制

√ 船舶推进

4.核心亮点

（1）高度集成化

  1FHD0635采用Firstack新一代自研驱动ASIC芯片，该芯片集成了数字CPLD及外围关键电路所包含的硬件和软件。在保留第一代数字驱动器的所有优势功能的同时，高度集成化，大大提高了产品的可靠性。图2为针对IHM-B封装模块，Firstack上一代CPLD驱动方案：1FSD08110和新一代ASIC驱动方案：1FHD0635的对比图。1FHD0635器件数减少40%，失效点降低40%，同时驱动方案成本大幅降低。

图2 器件数对比图

（2）基于di/dt的快速短路保护

1FHD0635采用了基于di/dt的快速短路保护技术，其基本原理如下图3a所示，在模块封装内部，功率E端子和辅助E端子存在等效杂感L_PE，一般会在5-10nH左右，流过IGBT的电流的变化di/dt会在L_PE上产生压降V，其计算公式如下：V=L_PE*di/dt

由于正常状态下电流的di/dt一般在10A/us，而短路状态下的di/dt会在1000kA/us，这样所产生的压降差别非常大，驱动器通过检测压降V，就能迅速判断IGBT是否发生短路，并进行有效保护。如图3b所示，驱动器上增加了di/dt簧片安装在模块的功率E端子上，用于实现di/dt保护检测功能

   图3a di/dt检测原理示意图                  图3b 1FHD0635的di/dt检测簧片

  图4分别给出了采用V_CE检测和di/dt检测的短路保护过程，从测试波形上看，采用V_CE短路检测的保护时间为8.9us，采用di/dt短路检测的保护时间为2.7us，降低近70%。在高压模块NPC-I型三电平短路故障保护时序协调中，内管模块承受短路时间更短，更安全。

                         图4a 基于V_CE短路检测                                                     图4b基于di/dt短路检测

（3）更完善的三电平时序保护

  当NPC-I型三电平某相桥臂AC输出负电平时（S3管和S4管导通），如果S3管的驱动器检测到短路、欠压等故障时直接封锁S3管PWM信号，则S3管将承受全母线电压（此时S4管仍处于导通状态），但S3管的额定电压是按照半母线电压选型，直接关断S3管会有过压风险，其工作原理见图5。

图5 NPC-I型三电平内管故障关断风险示意图

  针对基于IHM-B模块构成NPC或ANPC三电平拓扑，目前行业现有的解决方案是采用两电平模式+高级有源钳位，基本的解决思路如下：

传统行业驱动解决方案：两电平模式+V_CE短路检测+高级有源钳位

  两电平模式下，如果发生错误的关断时序如图6所示，当内管驱动器检测到短路故障后会直接关断，过大的di/dt会造成内管过压，此时高级有源钳位功能发挥作用；在电压上升的过程中，一旦超过有源钳位电压动作点后，有源钳位电路动作，让IGBT关断速度变缓，使其工作在线性区，这样V_CE电压就会被限制住，不会上升。在内管关断的同时，驱动器将故障信号上传至控制器，控制器接收到故障信号，按正常时序先关外管后关内管，此过程要求在很短的时间内完成（一般在2us左右）。

  由于传统驱动器均采用基于V_CE短路保护检测，短路检测响应时间较长，一般在8-9us，加上内管协调时间，内管实际短路承受时间会超过10us（IGBT规格书要求），该时序保护方案存在一定风险。

图6 两电平模式下的关断时序

1FHD0635方案：三电平模式+di/dt快速短路检测+高级数控有源钳位

  在传统解决方案的基础上，1FHD0635增加了可选的三电平模式，三电平模式下的关断时序如图7所示，当驱动器检测到故障，并不会立即关管，而是将故障信息发送给控制器，控制器可以按照“先外后内”的顺序进行关管，从而保证内管安全关断。由于是按正确时序进行关断，所以内管不会出现过压状态，关断过程更加安全。该模式配合di/dt快速短路保护（如（2）描述），提供了IHM-B模块三电平拓扑下最有效，最安全的时序保护功能。

图7 三电平模式下的关断时序

  1FHD0635根据不同的拓扑情况需要选用不同的模式（具体参考说明书，选用不同的型号），其相应的故障处理逻辑见表1。

表1 1FHD0635故障处理逻辑

（4）智能故障管理技术

  传统模拟驱动器检测到故障时只能将故障信号置位来告知控制器发生了故障，但控制器无法得知驱动器检测到了什么故障，不利于现场问题的快速定位。

  1FHD0635继承了数字驱动器的优点，具有智能故障管理，客户可以通过识别故障光纤故障编码来判断驱动的故障类型，从而实现故障的快速定位。其串行故障编码协议代码如下图所示：

图8  故障协议代码示意图

图9  可识别故障/状态类别

  如图9所示，目前1FHD0635可识别的故障状态有V_CE短路故障，di/dt短路故障，欠压故障以及ASIC芯片热关机故障等，客户可以根据上述故障类型快速定位问题，降低现场运维成本。

5.产品规格

6.结束语

  随着高压大功率电力电子系统需求的日益旺盛，国产化成为行业的主流趋势，作为高压大功率电力电子设备的核心，IGBT及驱动器至关重要。1FHD0635集成了V_CE短路保护、di/dt短路保护、高级动态有源钳位、电源检测、分级关断以及“智能故障管理”等多种功能，可以更好的满足大功率变频器、轨道交通牵引变流器、大功率静止无功补偿器SVG等应用系统对于高可靠性、低成本以及智能化的要求；同时针对三电平应用中的内外管时序问题，给出了灵活的解决方案。