【应用】1140Vac中压三电平逆变IGBT驱动新方案，具有低成本、高频化、体积小等优势

时间： 2020-08-07 来源：飞仕得

传统轨道交通牵引变流器，地铁馈能变流器，中压变频器，广泛采用3300V的IHM封装模块的两电平拓扑方案，如图1(a)所示，该方案在技术层面应用已经相当成熟。但是随着近年来市场不断发展，对体积，成本要求越来越高，基于1700V/EconoDUAL™ 封装模块的NPC I型三电平拓扑方案开始广泛应用起来，参考示意拓扑如图1(b)：

该方案由3个EconoDUAL™ 封装模块构成一相NPC I型桥臂，其中模块A构成外管T1和钳位二极管D5；B模块构成内管T2和T3；C模块构成外管T4和钳位二极管D6。具有以下优势：

· 低成本：相比较IHM封装模块，EconoDUAL™模块价格低廉，可以大幅降低模块成本

· 高频化：EconoDUAL™适合高频应用，采用NPC I型拓扑进一步提高等效开关频率

· 体积小：该方案可以简化母排设计，结构更小，更紧凑；通过提高开关频率，大幅降低输出滤波器的体积

NPC I型三电平拓扑方案虽然有上述优势，但是在驱动技术层面存在两大技术难点：

1，内外管关断时序问题：任何情况下，外管优先于内管关断，尤其是在短路故障或者欠压故障情况下。

2，内管关断电压尖峰过高：由于拓扑结构比传统两电平复杂，内管存在大换流回路，实际模组设计母排杂散电感很大，很容易导致模块过压损坏。

【NPC I型三电平拓IGBT驱动挑战】

1.内外管的关断时序

如图2所示，在NPC I型三电平拓扑结构中，每相的功率器件一共有6个：4个IGBT（S1，S2，S3，S4），2个二极管（D5，D6）。4个IGBT不同的开关组合，可以组成不同换流模态，将S1~S4状态分别用0和1表示，0表示关断，1 表示开通；同时母线正电位为“+1”，母线负的电位为“-1”，一共有以下几种组合模态（假设电流流向向内），如表1。

上述表中可以看出，NPC I型三电平有5种模态，其中包括稳态C，6，3和过渡态4，2，其中C，6，3稳态遵循S1和S3互补，S2和S4互补原则。为了分析时序问题，我们取模态3，此时的S1~S4的状态为：0011，如图3a所示，S3和S4开通，电流由AC流向母线负，此时的AC点电位为“-1”。如果现在出现正常停机或者异常过流，先关内管S3还是先关外管S4？

图3b给出了先关外管（S4=0），此后电流通过D6流回到O点，AC电位为“0”，再关内管（S3=0），内管S3两端承受的为1/2V_DC_。

图3c给出了先关内管（S3=0），此后电流通过D1，D2流回到母线正，AC电位为“+1”，再关外管（S4=0），内管S3两端承受的为V_DC，模块会过压损坏。

基于上述分析，NPC I型三电平必须先关外管再关内管，无论是正常停机工况，还是异常工况，如欠压保护，短路保护等。

2.内管关断尖峰过高

如图4a所示，NPC I型半桥工作在模态6，S1~S4的开关状态：0110，电流由AC点通过S3，D6流到“O”点。此时切换到模态4，即S1~S4的开关状态：0100，则电流会由AC点通过D2，D1流到母线正，在S3关断的过程中，如图4b所示，整个换流路径经过C1，D1，S2，S3，D6器件，形成一个大换流回路，存在较大的杂散电感。而基于1700V EconoDUAL™封装模的NPC I型三电平方案采用3个EconoDUAL™封装模构成一相桥臂，模块之间采用叠层铜排连接，实际大换流回路需要经过模块以及相应的连接铜排，进一步增大杂散电感，根据系统实测，一般会到120nH，远远大于模块推荐的30nH要求，使得关断尖峰异常高，模块很容易过压失效。

【NPC I型三电平数字IGBT驱动器】

针对EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平应用的上述问题，Firstack开发了新一代即插即用数字IGBT驱动器：2FSD0115+B17-3L。该驱动器相对于传统的两电平主要具有以下功能：三电平模式和分级关断。可以有效解决内外管关断错误时序和内管关断尖峰过高的问题。

1.三电平模式

2FSD0115+B17-3L具有三电平模式。传统的两电平驱动模式，驱动板在检测到故障（短路或者欠压），会立即封锁PWM信号。三电平模式下，驱动板检测到故障（短路或者欠压），自己不立即封锁PWM，而是将故障信息上传到控制板，让控制板协调内外管的关断时序，控制板下发关断指令，驱动接收到关断指令再封锁PWM。三电平模式故障保护时序图如下：

在EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案中，2FSD0115+B17-3L驱动应用内管模块，可以确保短路或者欠压故障发生时，控制系统能优先关断外管。

2.分级关断技术

门极电阻对于IGBT的关断特性的影响是Rg越大，关尖峰也越小，为了解决内管关断尖峰的问题，比较好思路就是加大关断电阻。但是Rg增大同时会带来关断延时增加，关断损耗增加，会影响到整机的死区设置以及热设计。

分级关断技术利用了关断电阻对于IGBT关断特性的影响机理，基本的原理是将IGBT的关断过程分为三级，与传统的单个关断电阻值不同，在关断过程中不同时段会有三种不同阻值的关断电阻，如图6所示，R1，R2，R3由数字驱动器中的MCU控制具体在什么时刻投入到门极回路。

基于三级的关断过程，可以实现有效抑制电压尖峰的同时，兼顾关断延时和关断损耗，使得关断特性达到最优状态。

【测试验证】

为了验证相应的数字驱动技术，基于EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案的测试平台。模块型号：FF600R17ME4；驱动：2FSD0115+系列即插即用驱动器。具体构建的示意图如下所示，其中外管采用两电平版本：2FSD0115+B17，内管采用三电平版本：2FSD0115+B17-3L。

1.时序管理测试波形

为了验证短路工况下的时序管理，基于该三电平方案进行相应的短路测试，主回路如图8所示，做S3和S4的短路实验。实际测试波形如图9所示：

从测试波形上可以看出，内管（S3）先检测到短路，反馈给上位机后，上位机协调先关外管（S4）后关内管（S3）。

2.分级关断测试波形

实验条件：采用英飞凌FF600R17ME4，测试内管S3带分级关断以及不带分级关断的电压尖峰V_{CE_MAX}，波形如下所示

从对比测试结果来看，在同等实验条件下，不带分级关断的V_{CE_MAX}=1630V，带分级关断的V_{CE_MAX}=1330V，电压尖峰下降了近20%。

Firstack的2FSD0115+B17-3L智能驱动器，具有三电平模式以及分级关断功能，可以有效解决基于EconoDUAL™ 封装模块的NPC 三电平方案中关断时序问题和内管关断尖峰过大的问题，大大提高1140Vac三电平中压逆变系统的可靠性，具有广泛的应用前景。

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目录- 企业简介 IGBT驱动核即插即用驱动器碳化硅驱动器功率模组双脉冲测试设备功率模组分析仪仿真平台VPowerSIM

型号- 6A62-3L-NR,ED-WP-ANPC-FF1800R17IP5,MBN1200H45E2-H,GD400FFX65P3S,TIM1000ECM33-PSA011,FF450R07ME4,VPOWERSIM,2MBI1400VXB-170E-50,ST1500GXH24,TG3000SW45ZC-P200,FF600R12ME4,2MBI600NXE-170-50,4FSC0210,2FSC300C17+,TIM1200ASM45,GD600HFL170C6S,FF450R33TE3,2MBI450VN-170-50,PM0538-N,5SNA1200G3301,FF900R12ME7_B11,CM800HC-66H,ED-WP,FPS008TI062IA001,FF600R17ME4,FZ1500R33HE3,2FSD0115+,TG600HF17M1-S300,5SND0500N330300,CM1500HC-66R,ED-WP系列,SGM400PB7B1TFM,5SNA1200G450350,1MBI1600U4C-170,YMIF1200-45,6FSC08110,ED0215,2MBI800XNE120-50,A0-VS122PA690M7-L759F70,FZ1500R33HL3,2FSD0420-EDC,2MBI800XNE-120-50,FF1000R17IE4,HV10110D,FZ1200R45KL3_B5,TG1000HF17H1-S300,ED0438E,2FSC0210H-DB,FF450R17ME4,FPI-2FSC0210H-DB-A5,SKM1400GB17R8,TG600HF12M1-S3A00,SEMIX603GB12E4P,2FSD0320T+,CM1200HC-66H,HMV10126,TIM1500ESM33-PSA012,F3L150R07W2E3_B11,SKM1000GB17R8,2MBI1400VXB-120P-54,CM450DX-24T1,2FSD0410-62C,CM300DX-34T,FPI-C-CORE-S-DB-A2,FF1800R12IE5,TIM1200ASM45-PSA011,300C17,HV1027P,5SNA1200E330100,F3L300R07PE4,1FSD08110,FF450R12ME4,FF1800R17IP5,FPS005TI062IA002,SKM300MLI066TAT,FZ2400R17HE4,SEMIX603GB12E4IP,5SNA1500E330305,CM1200HG-90R,2FSD0338,FS400R07A1E3,1MBI2400VD-170E,FF900R12ME7,FPI-C-CORE-S-DB-B3,FS-L-500,2MBI800U4G-120,FZ1600R17HP4,PM110TRP,GD300MLT60C2S,2FSC0410-SIC,2FSC1050,2FSC0435+,FF300R17KE4,APM0438-13H,GD1500SGL330A4S,ED64-2-E,FF1400R12IP4,HP1-39J-A,4FSC08110,PM124-ANPC,PM140,CM600DX-34T,ED-WP-FF1000R17IE4,CM1200DW-34T,1FSD215,PM0438IP5-245G,C-CORE,FF1400R17IP4,2MBI1400VXB-170P,TIM500GDM33-PSA011,TG400FF08S2-S3A00,2MBI600VN-170-50,2FSC0210L-DB,SK08110,FF1400R17IP4,SKM300GB17E4,PM124-NPC,GD450HF120C6S_G8

2022/4/7 - 飞仕得 - 选型指南

【选型】飞仕得（Firstack）通用品选型指南

目录- Firstack通用品 2FSD0115+X产品型号 2FSD0115+B12-30456080适配的IGBT型号 2FSD0320T+X产品型号 PM0538-N-X产品型号驱动核产品型号

型号- 2FSD0115+B17-FF600R17ME4-C,FF600R12ME4C,A0-VS122PA450M7-L759F70,FF600R12ME4,2FSC300C17+,PM0538-N-B-FF1000R17IE4,2FSD0115+B12-FF450R07ME4-C,PM0538-N-3L-FF600R12IP4,2FSD0320T+2CX-12,2FSC0435+A,2FSD0320T+2CX-17,2MBI450VN-120S-50,FF450R12ME4_B11,2FSD0320T+2AX-FF650R17IE4,2FSD0115+B12-0A-30456080,2FSD0115+B17-3L-2MBI600VN-170-50-C,2FSD0320T+2AX-FF1400R12IP4-C,2MBI600VN-120-50,PM0538-N-B-FF900R12IP4,2FSC0435+X,TG450HF12M1-S3A00,2FSD0115+B17-2MBI600VN-170-50,2FSD0115+B17-3L-FF450R17ME4-C,2FSD0320T+2AX-2MBI650VXA-170E-50,2FSD0115+B17-3L-2MBI450VN-170-50-C,2FSD0115+B17-2MBI600VN-170-50-C,2FSD0115+B17-3L-FF600R17ME4-C,PM0538-N-C-FF650R17IE4-C,2FSD0320T+2AX-FF1400R17IP4-C,2FSD0320T+2AX-FF1000R17IE4-C,PM0538-N-3L-FF1000R17IE4,2FSD0115+B17-3L-FF600R17ME4,PM0538-N-B-FF1400R17IP4,2FSD0320T+2AX-2MBI650VXA-170E-50-C,2FSD0115+B17-FF450R17ME4,2FSD0320T+2AX-2MBI900VXA-120E-50-C,2FSD0320T+2AX-FF900R12IE4-C,2FSD0320T+2BX-12,2FSD0320T+2AX-FF900R12IE4,2MBI800XNE120-50,A0-VS122PA690M7-L759F70,PM0538-N-3L-FF650R17IE4,2MBI450VN-120-50,2FSD0320T+2AX-FF1000R17IE4,FF300R12ME4,PM0538-N-B-FF1400R17IP4-C,PM0538-N-B-FF1400R12IP4,PM0538-N-B-FF600R12IP4,PM0538-N-B-FF650R17IE4-C,PM0538-N-3L-FF1400R12IP4-C,2MBI300VN-120S-50,TG600HF12M1-S3A00,2FSD0115+B12-FF600R07ME4,SEMIX603GB12E4P,FF600R12ME4A_B11,2FSD0115+B12-30456080-C,2FSD0320T+2AX-2MBI900VXA-120E-50,2FSC0435+A-3L,2FSD0320T+2BX-2MBI900VXA-120E-50,2FSD0320T+2AX-FF1400R12IP4,FF450R12ME3,2FSD0320T+2AX-FF650R17IE4-C,2FSD0115+B17-FF450R17ME4-C,2FSD0115+B17-3L-2MBI600VN-170-50,PM0538-N-3L-FF1000R17IE4-C,FF450R12ME4,FF600R12ME4C_B11,2FSD0320T+2AX-2MBI1400VXB-170E-50,2FSD0115+B12-FF600R07ME4-C,PM0538-N-3L-FF650R17IE4-C,2FSD0320T+2AX-FF1400R17IP4,2FSD0115+B12-FF450R07ME4,2FSD0320T+2AX-2MBI1000VXB-170E-50-C,PM0538-N-B-FF650R17IE4,PM0538-N-C-FF650R17IE4,2FSD0320T+X,2FSD0320T+2AX-2MBI1400VXB-120E-50-C,PM0538-N-3L,A0-VS122PA600M7-L759F70,2FSD0115+B12-0A-30456080-C,2FSD0115+B17-3L-2MBI450VN-170-50,SEMIX303GB12E4P,PM0538-N-3L-FF600R12IP4-C,PM0538-N-B,PM0538-N-3L-FF900R12IP4-C,PM0538-N-B-FF900R12IP4-C,PM0538-N-C,2FSD0115+B17-FF600R17ME4,2FSD0115+B17-3L-FF450R17ME4,2FSD0320T+2AX-12,2FSD0320T+2BX-2MBI900VXA-120E-50-C,2FSD0320T+2AX-17,2FSD0320T+2AX-2MBI1400VXB-120E-50,2FSD0115+B17-2MBI450VN-170-50-C,FF300R12ME4_B11,2FSD0115+B12-30456080,PM0538-N-3L-FF1400R12IP4,2FSD0115+B17-2MBI450VN-170-50,2FSD0320T+2AX-2MBI1000VXB-170E-50,PM0538-N-3L-FF900R12IP4,PM0538-N-B-FF1000R17IE4-C,2MBI300VN-120-50,PM0538-N-3L-FF1400R17IP4-C,PM0538-N-X,PM0538-N-B-FF1400R12IP4-C,2FSD0115+B17-3L,2FSD0115+B17,SEMIX453GB12E4P,FF600R12ME4_B11,PM0538-N-B-FF600R12IP4-C,2FSD0115+B12,2FSD0320T+2AX-2MBI1400VXB-170E-50-C,2FSD0115+X,PM0538-N-3L-FF1400R17IP4

2018年05月30日 - 飞仕得 - 选型指南

【产品】飞仕得推出门极动态可控的HV1027P系列驱动器，专门针对IHV封装开发的即插即用型驱动

飞仕得推出的HV1027P系列驱动器是以 Firstack 数字智能型 IGBT 驱动为基础，专门针对 IHV封装开发的即插即用型驱动，适用4500V 及 6500V IGBT 模块，具有功能强大、可靠性高、EMC 特性良好等优点。

2022-04-25 - 产品

【产品】NPC I型三电平专用带时序管理的IGBT数字驱动核C-CORE，强大驱动能力4W/27A

飞仕得推出的C-CORE驱动核是基于Firstack数字驱动技术，针对采用NPC I型三电平IGBT的低压中小功率逆变器开发专用智能驱动核，适用于阻串式光伏、APF/SVG、UPS、储能逆变器、变频电源等产品。C-CORE驱动核为双通道，驱动能力强大：4W/27A，最大支持40kHz的开关频率应用。

2020-08-29 - 新产品

面向系统的智能栅极驱动器—Firstack技术

型号- ED-NPC,2FSC1050,2FSC0435+,2FSD0320T+2AX-17,PM125TRP,VT0438,6FSC08110,HV1027P,PM209,2FSC300C17+,2FSD0320T+2AX-12,1FSD08110,ED0438E,2FSC0210L-DB,SK08110,2FSC0210H-DB,APM0438DF,PM124-E5,APM146FJ,APM146DF,PM99,PM124-NPC,HMV10126,APM146E,2FSD0115+B12

2020/7/20 - 飞仕得 - 商品及供应商介绍

Firstack新能源车IGBT驱动解决方案，已有超过10000辆电动大巴装载Firstack驱动器

随着新能源汽车的崛起，Firstack推出了一系列车用IGBT驱动器，并凭借产品的可靠、智能、经济等优势，目前已有超过10000辆电动大巴装载Firstack驱动奔驰在中华大地，同时获得数万片电动商用车驱动订单，并与多个客户展开电动乘用车合作。

2020-08-15 - 器件选型

【产品】针对PrimePACK模块开发的三并联即插即用一体驱动器PM110TRP

PM110TRP驱动产品是以 Firstack 数字智能型 IGBT 驱动为基础，针对 PrimePACK模块开发的三并联即插即用一体驱动器。具有短路保护、欠压保护、软关断等功能。

2020-08-08 - 新产品

智能IGBT驱动器厂商飞仕得（Firstack）提供功率模组整体解决方案

日前，智能IGBT驱动器厂商飞仕得（Firstack）正式签约世强，授权其代理旗下IGBT驱动器。飞仕得专业从事IGBT智能驱动器、功率模组分析仪的研发生产，是全球首家将智能驱动引入到新能源发电领域的企业。旗下拥有压接式驱动器、数字驱动器、新能源车驱动器、XHP驱动器等产品。

2021-01-28 - 公司动态

中国最大的风电变流器驱动供应商——飞仕得（Firstack）

飞仕得（Firstack）是IGBT智能驱动的领导品牌，致力于智能IGBT驱动器、功率STACK的研发销售，提供完整、高品质的功率模组整体解决方案。作为全球首家将智能驱动引入到新能源发电领域的企业，也是国内最大的风电变流器驱动供应商，飞仕得（Firstack）通过了 ISO9001及IATF16949等认证，并获得国家双软企业和创新创业大赛新能源及智能汽车大赛全球总决赛三等奖企业等荣誉。

2020-09-04 - 品牌简介

【产品】IGBT数字驱动器2FSD0115+B17，最大支持单路驱动功率/峰值电流2W/20A，具有软关断功能

2FSD0115+B17是基于飞仕得（Firstack）领先的数字技术与强大的硬件设计能力推出的一款“高可靠性，高灵活性以及高智能化的”数字驱动，引入了“不会坏的驱动器”革命性技术，解决了驱动器自身的可靠性问题与恶劣电磁场环境下的适应性问题。适用于1700V及以下电压等级的IGBT模块，可以应用在两电平及多电平应用场合。

2020-10-29 - 新产品

2FSD0115+B17产品说明书

型号- Z-2300D0820203,2MBI450VN-170-50,2FSD0115++B17-3L,2FSD0115+B17-3L-XXX-C,2FSD0115+B17-3L-FF450R17ME43,2MBI600VN-170-50,2FSD0115+B12-3L-FF450R17ME4-C,2FSD0115+B17-3L-XXX,FF600R17ME4,2FSD0115+B17-2C0,2FSD0115+B12-FF450R17ME4-C,FF450R17ME4,2FSD0115+B17-3L,2FSD0115+B17-XXX-C,2FSD0115+B17,2FSD0115+B17-FF450R17ME4,2FSD0115+B17-XXX,Z-81020100134000

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2FSD0115+B17 产品说明书

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2019-12-06 - 飞仕得 - 数据手册

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2018-04-13 - 飞仕得 - 数据手册

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2018-08-31 - 飞仕得 - 数据手册