一、概述
       储能变流器（Power Conversion System, PCS）是储能系统中的核心设备，其主要功能是实现储能电池与电网之间的电能双向转换。储能变流器不仅能够将直流电转换为交流电（逆变），还能将交流电转换为直流电（整流），以满足储能系统的充放电需求。储能变流器的性能直接影响储能系统的效率、稳定性和可靠性，因此在储能系统中占据重要地位。储能变流器中用于功率变换的功率模组是其核心部件，下面将从功率模组拓扑、IGBT驱动关键技术来做分享。

二、技术特点和常见问题
       在电站储能（大储）目前市面主流的PCS整机功率为1.25MW、1.75MW、2.5MW。早在2015年大功率储能PCS电池最高电压为800V，此时用到两电平功率拓扑；2017年电池最高电压1200V，用到NPC三电平拓扑；2019年之后电池最高电压1500V，ANPC三电平拓扑成为主流。大功率PCS的额定电流为1050A-2100A之间，通常使用EconoDUAL^TM标准模块来组合为ANPC三电平在进行模块并联扩容，比如：3并联ANPC方案做1.25MW、4并联ANPC方案做1.75MW和2.5MW。如下图为1.75MW以上功率的IGBT模块组合形式、布局结构和控制方式（4快2慢）。

                  IGBT组合形式                                                       布局结构                                                     控制方式

图 1 功率模组方案

       在储能PCS设计和应用中会出现如下问题，这些问题在设计中既重要但容易被忽略，处理好这些细节问题可以提升系统的稳定性：
1. ANPC三电平时序保护
2. 储能PCS死区时间选择
3. IGBT窄脉冲
4. EMC问题导致的PWM干扰
      针对以上问题需要功率模组、控制系统、IGBT驱动器实现有效配合。如下为对应的解决方案。

三、解决方案
1. 全面的ANPC三电平时序保护
       在ANPC三电平拓扑中存在内管外管关断时序问题，比如在外管关断之后在关闭内管。如果PCS处于正常启停状态，关断时序由控制器实现；如果PCS中的功率器件发生故障时候必须通过门极驱动器来实现时序保护，Firstack公司ED-WP-CB系列智能驱动器通过实时监控六路输入PWM状态和六路IGBT工作状态，来实现ANPC三电平时序关断；同时在控制异常、供电电源脱落等这种非功率半导体故障情况，驱动器也能识别控制内外管时序关断。如下图所示：

         （a）功率器件故障                                （b）非功率器件故障(电源掉线）
图2 三电平时序保护逻辑

       如图 2(a)所示，为功率器件故障（硬开关短路）在t0时刻发生短路，驱动器控制T4先关断（软关断），在t2时刻关断T3（软关断）。
       如图 2(b)所示，为非功率器件故障比如在电源链掉线脱落、电源短路失效、驱动器件短路等情况。图中描述了掉线脱落的情况：在t₀时刻电源掉线，驱动电容电压开始减低，此时驱动检测异常情况，在t₁时刻关断T4，t₃时刻关断T3。基于专用驱动IC的三电平方案通（常单个驱动IC集成欠压保护电路）会同时关闭功率器件，导致内管过压损坏。

2. 储能PCS死区时间选择
       死区时间是指在PWM信号切换过程中，上下桥臂开关器件（如IGBT或MOSFET）在关闭和开启之间设置的短暂时间间隔。其主要作用是防止上下桥臂同时导通导致的短路现象，保护电路元件。在PCS系统中死区时间会影响电池充电电压（直流电压利用率），过大的死区会降低PCS的充电电压。同时影响交流侧THD指标。
通过功率模组的双脉脉冲测试可以确定所设计的PCS的死区时间，死区时间计算公式如下：

Dtime=[(t_{d_off_max}-t_{d_on_min})+(t_{G_max}-t_{G_min})]*k

其中t_{d_off_max}为最大关断延时时间；t_{d_on_min}为最小开通延时时间；t_{G_max}为驱动器最大传输延时；t_{G_min}为驱动器最小传输延时。k为安全系数，通常系数为1.2-1.5之间。由于国内外不同厂家的IGBT模块开关特性存在区别，Firstack基于对不同模块厂家特性的理解和大量数据测试，推荐死区范围在5μs-6μs。同时ED-WP-CB系列内置4μs最小死区：当控制系统死区时间大于4us时，响应控制系统的死区时间；当控制系统死区小于4μs时，驱动强制4μs死区时间。降低PCS系统因为死区问题失效的概率。

                                     （a）强制4μs死区时间                                            （b）6μs死区时间（系统）

图 3 ED-WP-CB系列死区逻辑

        如上述可知，死区时间过小会让功率模组失效。为了弥补储能系统总直流电压利用率的指标，建议可以考虑在控制方式中加入三次谐波注入或者死区补偿算法。
3. IGBT窄脉冲
       在IGBT还未完全导通，载流子浓度过低就关断IGBT会导致IGBT关断过电压较大、开关损耗增加、门极氧化层老化。在功率因数为1时，窄脉冲出现在电流最小时刻；在功率因为-1时，窄脉冲出现在电流最大时刻。大功率PCS使用的功率模块（单体）Q_G在4μC-13μC，需要一定时间让其完全导通。基于测试数据的分析，推荐IGBT窄脉冲时间不低于5μs，在控制系统中需要滤波5μs以下的脉冲信号。

  5μs整体图                                                                                                   放大图
图 4 IGBT窄脉冲实验图

       如图4所示，为1200V/600A 三电平4并联ANPC拓扑的双脉冲实验图，第二个脉冲时间5us，此时VGE电压无法达到15V，二极管出现振荡，IGBT的导通损耗增加、开通损耗也增加。
4.EMC问题导致的PWM干扰
        2016年之前大功率系统都采样光纤传输PWM，2018年之后大功率变流器均采用电口线缆传输PWM(15V)。如下图所示，PCS功率器件的电磁干扰耦合到2m-3m的PWM线缆上，会在PWM信号上形成一定时间宽度的高电平或低电平干扰脉冲。ED-WP-CB系列集成最小脉冲抑制功能，过滤PWM信号中低于4μs的脉冲，提升PCS变流器的抗干扰性和可靠性。

 PWM线缆耦合原理                                             驱动处理逻辑
图 5 PWM干扰原理

四、结论

       ED-WP-CB系列具备全面的三电平时序管理、内置最小死区时间和最小脉冲滤波时间能帮助客户提升PCS变流器性能。

五、产品型号

产品图片：

驱动核                                                                                适配板
图 6 ED-WP-CB系列实物图

产品型号：