三電平IGBT功率模塊

為了充分發(fā)掘系統(tǒng)層面的設(shè)計優(yōu)勢，以往主要集中在大功率應(yīng)用的三電平中點鉗位(NPC)拓?fù)潆娐方鼇硪查_始出現(xiàn)在中、小功率應(yīng)用中。低電壓器件改進(jìn)后的頻譜性能和更低的開關(guān)損耗，使得UPS系統(tǒng)或太陽能逆變器等需要濾波器的產(chǎn)品受益匪淺。迄今為止，為了實現(xiàn)三電平電路，只能通過采用分立式器件或至少將三個模塊結(jié)合在一起?，F(xiàn)在，采用針對較高擊穿電壓的芯片技術(shù)，通過將三電平橋臂集成到單獨模塊中，再配上驅(qū)動電路，就能夠使得這種拓?fù)湓谛碌膽?yīng)用中更具吸引力。

三電平NPC拓?fù)涞墓ぷ髟?/p>

在三電平NPC的拓?fù)渲?，每一個橋臂由四個帶反并二極管的IGBT以串聯(lián)的方式連接，另外再配上兩個二極管DH和DL，將它們中間節(jié)點連接到直流母線的中性點。其中所采用的所有功率半導(dǎo)體都具備相同的擊穿電壓。根據(jù)輸出電壓和電流的特點，一個周期的基頻輸出有四個不同續(xù)流工作狀態(tài)。

圖1. 三電平NPC中某一個橋臂的換流回路。a) 短換流回路； b) 長換流回路

從圖1a可以看出，電壓和電流處于正方向，T1和DH組成了BUCK電路的工作方式，而T2則以常通的方式輸出電流。而電壓和電流處于負(fù)向期間，T4與DB 組成了BOOST電路的工作方式，T3以常通方式輸出電流。在上述兩種情況下，換流只有發(fā)生在兩個器件中，我們稱之為短續(xù)流。然而當(dāng)輸出電流為負(fù)向而電壓為正向的情況下，流過T3和DB的電流必須如圖1b)所示換相至D2和D1。這種換流涉及到四個器件，因此稱之為長換流回路。在其它情況下，會存在另一個長換流路徑。在設(shè)計三電平變換器時，如何控制好長換流回路的雜散電感和過壓問題，是設(shè)計人員所要面臨的又一挑戰(zhàn)。

圖2 EasyPACK 2B封裝

針對三電平NPC拓?fù)涞淖钚翴GBT模塊

雖然總共集成4個IGBT和6個二極管的IGBT模塊并不適用于高功率產(chǎn)品，但是只要功率范圍一定，并且控制管腳數(shù)允許采用標(biāo)準(zhǔn)封裝，它是可以適用于中、小功率產(chǎn)品的。

圖3 EconoPACK 4 封裝

對于小功率產(chǎn)品而言，如圖3所示的EasyPACK 2B封裝具備足夠的DBC面積來集成一個完整的150A三電平模塊橋臂。由于可在給定的柵格內(nèi)任意布置管腳，這些管腳即可以作為功率端子也可作為控制端子，因此這個封裝可提供非常理想的連接方式。這種封裝可提供輔助發(fā)射極端子，可確保IGBT的高速開關(guān)。對于電源端子而言，最多可采用8個端子并聯(lián)，確保獲得所需的額定電流以及降低雜散電感和PCB熱量。

對于中功率的產(chǎn)品，全新推出的EconoPACK 4封裝提供了一種理想選擇，它可集成三電平中所有功率器件。右邊的三個功率端子用來把直流母線分開，為三電平逆變器帶來極低的寄生電感，與它相對的兩個功率端子并聯(lián)起來作為每一個橋臂的輸出端子。在模塊封裝的兩側(cè)是控制引腳，PCB驅(qū)動板可以通過這些端子直接連接。這種封裝的三電平模塊中的橋臂的最高電流高達(dá)300A。

就降低雜散電感而言，將一個三電平相橋臂的所有器件集成至一個模塊，是一種很有前景的解決方案。然而，很明顯僅600V的器件耐壓使它很難滿足典型應(yīng)用，原因在于：母線電壓的均壓不理想，而且600 V器件開關(guān)速度太快。