三電平IGBT功率模塊

為了充分發(fā)掘系統(tǒng)層面的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，以往主要集中在大功率應(yīng)用的三電平中點(diǎn)鉗位(NPC)拓?fù)潆娐方鼇?lái)也開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗，使得UPS系統(tǒng)或太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)三電平電路，只能通過(guò)采用分立式器件或至少將三個(gè)模塊結(jié)合在一起。現(xiàn)在，采用針對(duì)較高擊穿電壓的芯片技術(shù)，通過(guò)將三電平橋臂集成到單獨(dú)模塊中，再配上驅(qū)動(dòng)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)渲校恳粋€(gè)橋臂由四個(gè)帶反并二極管的IGBT以串聯(lián)的方式連接，另外再配上兩個(gè)二極管DH和DL，將它們中間節(jié)點(diǎn)連接到直流母線的中性點(diǎn)。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(diǎn)，一個(gè)周期的基頻輸出有四個(gè)不同續(xù)流工作狀態(tài)。

圖1. 三電平NPC中某一個(gè)橋臂的換流回路。a) 短換流回路； b) 長(zhǎng)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(gè)器件中，我們稱(chēng)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(guò)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(gè)器件，因此稱(chēng)之為長(zhǎng)換流回路。在其它情況下，會(huì)存在另一個(gè)長(zhǎng)換流路徑。在設(shè)計(jì)三電平變換器時(shí)，如何控制好長(zhǎng)換流回路的雜散電感和過(guò)壓?jiǎn)栴}，是設(shè)計(jì)人員所要面臨的又一挑戰(zhàn)。

圖2 EasyPACK 2B封裝

針對(duì)三電平NPC拓?fù)涞淖钚翴GBT模塊

雖然總共集成4個(gè)IGBT和6個(gè)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(duì)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(lái)集成一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)。對(duì)于電源端子而言，最多可采用8個(gè)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(duì)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(gè)功率端子用來(lái)把直流母線分開(kāi)，為三電平逆變器帶來(lái)極低的寄生電感，與它相對(duì)的兩個(gè)功率端子并聯(lián)起來(lái)作為每一個(gè)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(dòng)板可以通過(guò)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(gè)三電平相橋臂的所有器件集成至一個(gè)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(kāi)關(guān)速度太快。