PDF《PM135-01S 产品说明书》

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1 PM135-01S 产品说明书 概述 Firstack 数字智能型 IGBT 驱动是为大功率、 高电压 IGBT 专门开发的, 具有功能 强大,可靠性高等特点,适用于两电平变流器,其应用覆盖新能源、轨道交通、工业传 动及智能电网等各个领域. PM135-01S 驱动产品是以 Firstack 数字智能型 IGBT 驱动为基础,针对 PrimePACK 模块开发的两并联即插即用一体化驱动器. 图1产品照片 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

2 目录 概述.1 系统框架图.3 使用步骤及注意事项.4 机械尺寸图.5 引脚定义.6 状态指示灯说明.6 驱动参数.8 主要功能说明.12 ? 短路保护.12 ? 欠压保护.12 ? 软关断.13 ? NTC 过温保护.14 ? 直流母线过压保护(机侧与网侧驱动使用)16 ? 窄脉冲抑制.16 ? 上下管防直通.17 ? 故障通信.17 门极电阻位置指示.19 订购信息.21 技术支持.21 法律免责声明.21 联系方式.21 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

3 系统框架图 图2系统框架图 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

4 使用步骤及注意事项 驱动器简便使用的相关步骤如下: 1. 选择合适的驱动器 使用驱动器时,应注意该驱动器适配的 IGBT 模块型号.对于非指定 IGBT 模块无 效,使用不当可能会导致驱动和模块失效. 2. 将驱动器安装到 IGBT 模块上 对IGBT 模块或驱动器的任何处理都应遵循国际标准 IEC 60747-1 第Ⅸ章或 IEC60340-5-2 要求的静电敏感器件保护的一般规范(即工作场所、工具等必须符合这 些标准) . 如果忽视这些规范,IGBT 和驱动器都可能会损坏. 3. 将驱动器连接到控制单元 将驱动器接插件(光纤)连接到控制单元,并为驱动器提供合适的供电电压. 4. 检查驱动器功能 检查门极电压:对于关断状态,额定门极电压在相应的数据手册中给出,对于导通 状态, 该电压为 15V. 另请分别检查对应有控制信号和无控制信号时驱动器的输入电流. 对于 Firstack 的数字驱动器,驱动器提供合适的供电电压后,驱动状态指示灯 TEST(绿色)常亮. 这些测试应在安装前进行,因为安装后可能无法接触到门极端子. 5. 设置和测试功率单元 系统启动之前,建议用单脉冲或双脉冲测试方法分别检查每个 IGBT 模块. Firstack 特别建议用户要确保 IGBT 模块即使在最恶劣的条件下也不会超过 SOA 规 定的工作范围,因为这强烈依赖于具体的变换器结构. PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

5 机械尺寸图 图3尺寸图 接插件厂家及型号 序号 标号 厂家 型号 推荐配套端子

1 J1 Phoenix MSTB2,5/3-GF-5,08

1776511 MSTB2,5/3-STF-5,08-1777992 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

6 引脚定义 P1 引脚定义: 引脚 定义 备注

1 +15V 电源+15V

2 NC 悬空

3 GND 电源地 状态指示灯说明 图4状态指示灯 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

7 状态指示灯 序号 位号 丝印 注释

1 D15 VDC 直流母线过压故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

2 D16 UV 下管欠压故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

3 D18 OT 模块 NTC 过温故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

4 D19 SC 下管短路故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

5 D20 BE 下管故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

6 D21 TEST 下管系统运行状态指示,正常绿色常亮,故障时闪烁,故障消失恢复常亮

7 D22 UV 上管欠压故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

8 D25 SC 上管短路故障指示,故障时红色灯常亮,需重新上电复位,无故障时灭

9 D27 TEST 上管系统运行状态指示,正常绿色常亮,故障时闪烁,故障消失恢复常亮

10 D34 / 左侧模块下管门极指示,开通时绿色灯亮,关断时灭

11 D40 / 左侧模块上管门极指示,开通时绿色灯亮,关断时灭

12 D42 / 右侧模块下管门极指示,开通时绿色灯亮,关断时灭

13 D45 / 右侧模块上管门极指示,开通时绿色灯亮,关断时灭 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

8 驱动参数 绝对最大额定值 参数 备注 最小 最大 单位 VDC 对地

16 V 门极最大输出电流

38 A 单路输出功率 TA≤85℃

7 W 测试电压(50Hz/1min) 原边对副边

5000 VACrms 副边对副边

4000 VACrms 工作温度 -40

85 ℃ 存储温度 -40

85 ℃ 环境温度≤25℃ 推荐工作条件 参数 备注 最小值 典型值 最大值 单位 VDC 14.5

15 15.5 V PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

9 电气特性 电源 备注 最小值 典型值 最大值 单位 电源电流 不带载,注10.38 A 耦合电容 原副边

8 pF 电源监测 阈值 12.5 V 短路保护 VCE 监测阈值 12.6 V 响应时间 TOP,注28.5 us BOT,注28.5 us 软关断时间 TOP,注33.9 us BOT,注33.9 us 其他保护 直流母线过压阀值 VDC

1360 1370

1380 V 过温保护阀值

85 ℃ 时间特性 开通延时 TOP,注4528 ns BOT,注4800 ns 关断延时 TOP,注5644 ns BOT,注5780 ns 上升时间 TOP,注628 ns BOT,注628 ns 下降时间 TOP,注724 ns BOT,注730 ns PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

10 故障保持时间

5 ms 输出特性 门极开通电压

15 V 门极关断电压 -15 V 门极静态阻抗

2 kΩ 电气绝缘 爬电距离 原副边,注810.5 mm 副副边,注89mm 电气间隙 原副边,注89mm 副副边,注89mm 注解说明: 1. 电源电流:在没有输入任何 PWM 信号,但连接 IGBT 模块;

2. 响应时间:短路保护响应时间指从发生故障到开始执行软关断;

3. 软关断时间:零伏电压(0V)关断持续时间;

4. 开通延时:从原边输入的 PWM 信号上升沿传输到副边门极驱动上升沿所需的时间;

5. 关断延时:从原边输入的 PWM 信号下降沿传输到副边门极驱动下降沿所需的时间;

6. 上升时间:从门极关断电压(-15V)的10%至门极开通电压(+15V)的90%的时间量;

7. 下降时间:从门极开通电压(+15V)的90%至门极关断电压(-15V)的10%时间量;

8. 安规距离:参照 IEC61800-5-1-2007 ,满足海拔 2km 以下,污染等级

2 的基本绝缘要求. PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

11 引脚时序图 驱动正常工作时(输入电压正常并且未检测到任何故障),光纤信号输入有光时, IGBT开通;

光纤信号输入无光时,IGBT关断. 光纤故障输出口(FAULT)有光时,表示驱动工作正常,未检测到任何故障;

光纤 故障输出口(FAULT)为无光持续5ms后返回故障代码时,表示驱动检测到某个故障, 直至故障消失. 图5引脚时序图 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

12 主要功能说明 ? 短路保护 驱动电路通过检测 IGBT 开通时的集电极电压 VCE 来判断 IGBT 是否处于短路状态. 集电极电压通过高压二极管来检测.当VCE 电压超过设定阈值,驱动判定 IGBT 处 于短路状态,驱动将启动软关断,将IGBT 缓慢的关断, 同时将故障返回给上位机. 图6VCE 退饱和检测电路 ? 欠压保护 驱动板同时监测副边侧正负电源. 当副边侧正电压或者负电压低于阈值电压时, 驱动电路将判定发生了欠压故障,驱动电路将自动封锁 IGBT,同时反馈一个故障信号 给上位机.当故障消除后,再经过阻断时间(block time) ,原边的故障口会自动复位. 对于 IGBT 桥臂, Firstack 智能驱动强烈建议不要让桥臂中的任一个 IGBT 工作在欠 压状态. 由于 CGC 的存在, 当桥臂中的某个 IGBT 开通时, 其带来的高 dv/dt 可通过 CGC 耦合到另一个 IGBT,导致另一个 IGBT 微导通.同时,较低的门极电压,将增大 IGBT 的开关损耗. PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

13 ? 软关断 当发生短路直通时,IGBT 会迅速退饱和,其两端的电压 VCE 会达到直流母线电压;

而流过 IGBT 的电流 IC,会达到额定电流的

4 倍甚至更多,取决于 IGBT 的类型及门极 电压.这时,IGBT 所消耗的功率,会瞬时达到兆瓦级.如果不能在很短的时间内减小 短路电流,IGBT 会因为芯片过热而烧毁.然而,如果短路时的关断速度像正常关断一 样快,会产生很大的 di/dt,由于寄生电感的存在,该di/dt 会在 IGBT 两端带来很大的 电压尖峰, 使得 IGBT 过压击穿. 为了解决短路时巨大的关断尖峰,Firstack 智能驱动电路引入了软关断技术.在IGBT 发生短路直通时, 在保证短路时间不超过 10us 的前提下,通过缓慢的降低门极电 压VGE,既保证了 IGBT 芯片不会因为过温烧毁,也有效降低了 di/dt,避免了关断时的 电压尖峰,保证了 IGBT 的安全. 图7FF1000R17IE4 在1100V 下的短路波形 图7显示的是由 Firstack IGBT 驱动电路控制的 1700V/1000A IGBT (FF1000R17IE4)在直流母线为 1100V 时的短路波形.短路电流峰值 4000A(4 倍 于额定电流) ,在软关断的作用下,IC 缓慢下降,VCE 几乎没有任何的过冲,有效安全的 关闭了 IGBT. PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

14 ? NTC 过温保护 PrimePACKTM 模块中,内置了负温度系数的热敏电阻 NTC,当IGBT 芯片温度上 升时,其电阻值下降.驱动电路板通过监测热敏电阻 NTC 的阻值,来判断芯片的温度, 并将 NTC 的阻值转换成对应的频率信号传递给控制系统,见NTC 信号时序图.在驱动 电路板中,温度保护电路由副边侧供电,与原边(控制端)隔离,且隔离等级满足 EN50178,故可满足安规要求.功率系统 IGBT 模块的正常工作温度范围设定在-20℃ ~90℃(±5℃),超过这个范围,驱动将进入温度故障保护. NTC 信号时序图如图所示: 1. 常高、常低持续时间 Tntc_idle. 2. 脉冲信号的持续时 Tntc_data. 3. 常高、常低时间,超过 1S 认为 NTC 信 号线缆故障. 4. 驱动板启动到温度信号传出时间 <

1s Digital Communication(系统通信协议) Symbol Conditions min type max Unit NTC(温度采样) Tntc_data NTC 温度信号持续时间 0.1 S Tntc_idle NTC 温度左右桥切换等待时间 0.1 S 图8NTC 信号时序图 测量数据如下表: T/℃ Rntc/kΩ 50ms 实测脉冲个数 Ttest/℃ |T|/℃ -20 38.715

2979 -20.9 0.9 -15 29.772

3127 -15.7 0.7 -10 23.124

3306 -10.5 0.5 -5 18.131

3520 -5.4 0.4

0 14.343

3777 -0.3 0.3 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

15 5 11.443

4071 4.6 0.4

10 9.202

4425 9.8 0.2

15 7.456

4802 14.6 0.4

20 6.085

5269 19.8 0.2

25 5.000

5762 24.8 0.2

30 4.135

6309 29.9 0.1

35 3.441

6885 34.8 0.2

40 2.880

7506 39.9 0.1

45 2.424

8168 44.9 0.1

50 2.052

8830 49.9 0.1

55 1.745

9527 55

0 60 1.491

10201 59.9 0.1

65 1.281

10899 65

0 70 1.105

11547 69.8 0.2

75 0.957

12204 74.8 0.2

80 0.832

12690 78.7 1.3

85 0.726

13431 84.8 0.2

90 0.637

13991 89.8 0.2

95 0.560

14601 95.5 0.5

100 0.494

15008 99.6 0.4

105 0.438

15395 103.7 1.3

110 0.389

15826 108.7 1.3

115 0.346

16217 113.5 1.5

120 0.309

16567 118.3 1.7

125 0.277

16912 123.3 1.7 PM135-01S www.firstack.com 2018-09-04 Page

16 ? 直流母线过压保护(机侧与网侧驱动使用) 为了防止直流母线电压过高的情况下,IGBT 进行开关动作,此时关断尖峰会很大, 会超过 IGBT 安全工作区,导致 IGBT 损坏,为此在驱动上增加了直流母线过压保护功 能. 当驱动检测到........