栅极驱动器可提高效率并降低系统复杂性

Power Integrations 已发布适用于流行的“新型双”100 × 140-mm IGBT 模块的 SCALE-iFlex 单栅极驱动器。新的紧凑型驱动器现在可用于设计和支持高达 3.3 kV 的模块。轻轨、可再生能源发电和其他需要小型、稳健驱动器解决方案的高可靠性应用将受益于 SCALE-iFlex 单栅极驱动器。此外，Power Integrations 宣布了新的即插即用 SCALE-iFlex LT 双栅极驱动器。新驱动器将众多并行 EconoDUAL 模块的性能提高了 20%，从而允许功率逆变器和转换器堆栈以移除每六个模块中的一个。除了节省驱动器和模块的资金外，这还降低了与模块、接线、硬件和散热相关的控制复杂性和费用。SCALE-iFlex LT 专为各种可再生能源发电和存储应用而设计，重点关注 3 至 5 MW 范围内的海上风力涡轮机。在接受《电力电子新闻》采访时，Power Integrations 产品营销经理 Thorsten Schmidt 指出，在各种工业应用中，需要在兆瓦以上的高功率下实现良好的对称并行开关，因此 Power Integrations 决定升级其 Scale 系列模块。

Scale-iFlex LT 双栅极驱动器

在风车中，IGBT 模块用作转换器内的开关。所谓的背靠背转换器是一种常见的拓扑结构。转子产生电压，该电压在转换为相关电网的线电压之前进行整流。“这就是我们的驱动器解决方案派上用场的地方，因为我们正在管理随后进行电压转换的 IGBT，”施密特解释说。

图 1：风电发展迅速

据国际可再生能源机构称，“风电市场将会增加，随之而来的风电装机容量将会增长，”施密特说。这当然是由可再生能源取代化石燃料和核能发电的大趋势推动的。“根据这项研究，您可以看出，到 2030 年，市场将增长 3 倍到 5 倍；然后，到 2050 年，它将再增长 3 倍，”施密特补充道。“我们试图计算产生这么多电力所需的风车数量。作为粗略估计，我们得出了大约 600，000 的数字。因此，我们估计每台风车的容量为 10 MW，我认为这是 2050 年的合理估计，因为如今陆上风车的功率范围通常为 3 至 5 MW，而海上风车的功率范围为 8 至 10 MW。因此，需要大量的风车。因此，所有这些风车都需要大量的门、驱动器和电源模块。”

目标是提供多个模块的并联，从而将模块性能或电源模块容量利用率提高多达 20%。也就是说，用更少的硬件解决相同的转换器输出功率。

“并行组织的模块的稳健运行取决于动态和静态电流共享，”施密特说。“SCALE-iFlex LT 系统仅使用五个并联模块来实现相同的功率输出，通过实现模块之间小于 20 ns 的开/关命令波动和模块之间小于 20 A 的差异，同时进行标称 600 A. 因此，这些模块能够防止目前的降额。”

Schmidt 指出，在 5 kW 开关频率的典型应用条件下收集了 500 多个数据点，并且信号是瞬时传输的，随后器件对称开启，从而导致所有器件承载相同的负载电流。

同一个隔离的主控设备最多可以并联六个 EconoDUAL 3 电源模块或等效模块。两个 SCALE-2 ASIC — 每个通道一个 — 用于适应模块的栅极驱动器，适合 EconoDUAL 模块占用空间，以提高对称并行性、效率和保护。

图 2：SCALE-iFLex LT – 可根据系统要求轻松并联 17 mm IGBT 模块

“我们专门针对风力发电应用的需求设计了这款产品，”施密特说。“就拓扑而言，该技术与 SCALE-iFlex 非常相似，因此具有相同的系统优势。因此，我们拥有主控制单元和简单的电缆连接，可以并行连接和操作多达六个模块。与传统解决方案相比，我们可以在此处节省六分之一的功率模块，并降低控制系统的复杂性，并减少对较小散热器的需求，这是一种成本较低的冷却系统。”

由于 SCALE-2 ASIC 集成升压级的快速开启和关闭，新型 SCALE-iFlex LT 栅极驱动器模块将开关损耗降低了 3% 至 5%。Power Integrations 的 AAC 保护允许更大的直流链路电压。包括短路保护等其他保护措施。驱动器有裸露或保形涂层版本，增强绝缘高达 1，700 V。

图 3：模块之间的准确均流

Scale-iFlex 单栅极驱动器

Scale-iFlex Single 针对铁路应用，尤其是轻轨，如有轨电车和地铁。从图 4 中，我们看到市场预计如何从 2019/24 年从大约 90 亿增长到 120 亿。施密特指出，由于 COVID 产生了负面影响，但复苏势头强劲。

图 4：尽管 Covid 放缓，但全球电气化轨道交通市场仍将稳定增长

SCALE-iFlex 单栅极驱动器使用 Power Integrations 的 ASIC 技术来减少组件数量，同时还在正常操作期间提供高级有源钳位 （AAC） 过压保护，这是对简单软关断的重大改进，后者可在发生时提供额外保护导通时短路。当并排放置时，设备被覆盖以确保模块之间的隔离。这些设备通过了 IEC 61373 Class 1B（冲击和振动）、IEC 61000-4-x（环境测试）和 IEC 60068-2-x（EMC 测试）铁路标准（串行环境测试）的预认证。提供可选的老化。Schmidt 解释说：“SCALE-iFlex 单栅极驱动器适合最新标准 IGBT 功率模块的外形，例如三菱 LV100/HV100、英飞凌 XHP2 和 XHP3、ABB LinPak、

图 5：电气接口用于 2L 拓扑中高达 3300 V 的模块

图 6：显示功能块的主控制板

“在电气接口中，我们的设备可以在 15 伏开和零伏关或光纤接口下运行，这是铁路行业首选的经典解决方案，就隔离额定值而言，我们可以实现高达 3300 伏的阻断电压，”施密特说。

在 85˚C 环境温度且无气流时，新栅极驱动器的额定峰值输出电流为每通道 20A。通过冷却或较低的环境温度，可以获得更高的功率水平。

审核编辑：郭婷