三電平IGBT功率模塊

為了使設(shè)計(jì)更加容易并且確保器件在應(yīng)用中具有更高的裕量，這些模塊采用了增強(qiáng)型IGBT和二極管芯片，耐壓達(dá)到650V。這些新的芯片與眾所周知的600V IGBT3器件一樣，具有相同的導(dǎo)通特性和開關(guān)特性；而且可靠性也沒有發(fā)生改變(如SOA、RBSOA、SCSOA)。這些通過(guò)最新的IGBT和二極管終端結(jié)構(gòu)的開發(fā)得以實(shí)現(xiàn)，并確保了超薄的70?m芯片厚度不發(fā)生改變。因此，650V IGBT的集電極－發(fā)射極飽和電壓VCE_SAT在25°C仍然保持在極低的1.45V水平(150°C時(shí)為1.70V)。器件的開關(guān)損耗較低，當(dāng)開關(guān)頻率為16kHz時(shí)，損耗僅占逆變器總損耗的三分之一。此外，該IGBT還具備非常平滑的電流拖尾特性，即使在惡劣的條件下，也不會(huì)造成電壓過(guò)沖。二極管的VF-Qrr 關(guān)系也作了優(yōu)化，正向壓降極在25°C條件下為1.55V((150°C時(shí)為1.45V)，并保持器軟關(guān)斷特性。

設(shè)計(jì)三電平拓?fù)涞腎GBT驅(qū)動(dòng)所面臨的挑戰(zhàn)

在中、小功率的三電平NPC拓?fù)鋺?yīng)用中，為了使系統(tǒng)性能發(fā)揮到最佳，對(duì)IGBT的驅(qū)動(dòng)提出了一些具體要求。

較高的開關(guān)頻率 由于開關(guān)頻率范圍從16kHz到30kHz，驅(qū)動(dòng)器必須為每個(gè)IGBT提供一致并且較小的傳輸延遲時(shí)間，以便減小死區(qū)時(shí)間。由于650V器件具備快速的開關(guān)速度，因此死區(qū)時(shí)間主要取決于驅(qū)動(dòng)器的傳輸延遲時(shí)間的變化。如果死區(qū)時(shí)間相對(duì)于開關(guān)周期過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致逆變器的輸出非線性，從而為控制算法帶來(lái)多個(gè)更多的挑戰(zhàn)。

拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu) 盡管這些器件的耐壓電壓僅為600V或650V，但驅(qū)動(dòng)器的隔離要求卻與1200V相同。由于驅(qū)動(dòng)電路數(shù)量增加一倍，因此必須采用適用于該驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)，并且要求其電源具備數(shù)量較少的組件和較小的PCB空間。驅(qū)動(dòng)電路的保護(hù)特性如短路檢測(cè)和欠壓鎖定等必須與三電平NPC拓?fù)淦ヅ?。首先關(guān)斷一個(gè)內(nèi)部的IGBT(圖1中的T2、T3)，會(huì)使得母線電壓完全施加到這個(gè)器件上，由于超過(guò)了器件SCSOA或RBSOA區(qū)域，將導(dǎo)致器件立即失效。

運(yùn)用EiceDRIVER系列全新的集成IGBT驅(qū)動(dòng)技術(shù)，可輕松地滿足這些要求：

* 集成的微變壓器技術(shù)提供基本的絕緣功能，其絕緣電壓高達(dá)1420 Vpeak。

* 集成的有源米勒箝位功能可以采用單電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種驅(qū)動(dòng)器在即便在較高開關(guān)速度條件下也不會(huì)有寄生導(dǎo)通風(fēng)險(xiǎn)[8]。

* 相對(duì)于傳統(tǒng)采用光電耦合的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)，這種微型變壓器技術(shù)，可大幅降低傳輸延遲的時(shí)間和相互之間的偏差。

* 集成的Vcesat保護(hù)功能也可用于外側(cè)開關(guān)，但對(duì)于內(nèi)側(cè)的IGBT該功能需要屏蔽掉。

實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

這部分將介紹采用EasyPACK 2B 三電平模塊的開關(guān)波形。在這個(gè)電路中，IGBT的IGBT柵極驅(qū)動(dòng)了1ED020I12-F的驅(qū)動(dòng)芯片。采用電流互感器在直流母線的正端DC+或DC-來(lái)進(jìn)行測(cè)量電流。

圖4. 短換流的開關(guān)波形(峰值電壓為550 V，電壓仍在允許范圍之內(nèi)。)

短換流回路 圖4 顯示的是，在標(biāo)稱電流、400V直流母線電壓和25°C結(jié)溫條件下的短換流情況的開關(guān)波形。

圖5 長(zhǎng)換流的開關(guān)波形(峰值電壓為580V。該電壓僅比短換流的峰值電壓高30V，仍然不超過(guò)650 V的擊穿電壓。)

長(zhǎng)換流回路 圖5 顯示了在相同條件下的長(zhǎng)換流的開關(guān)波形

首次試驗(yàn)結(jié)果表明，由于將一個(gè)完整的三電平橋臂集成在一個(gè)模塊中，長(zhǎng)換流幾乎可實(shí)現(xiàn)與短換流相同的開關(guān)性能。不過(guò)，要想在更大電流條件下，獲得足夠的裕量，仍需要進(jìn)一步降低電路的雜散電感。通過(guò)將多個(gè)電容器并聯(lián)，并采用多層電路板來(lái)減小模塊和電容器之間的電流回路，可有效減小寄生電感。此外，必須要考慮的是，實(shí)際的應(yīng)用中在直流母線上是不會(huì)采用電流互感器的。在這里采用電流互感器會(huì)產(chǎn)生15nH的雜散電感，從而導(dǎo)致45V的過(guò)壓。

結(jié)論

通過(guò)將一個(gè)完整的三電平橋臂集成在一個(gè)模塊內(nèi)部，把器件耐壓從600V提高到650V，然后配上較高集成度的驅(qū)動(dòng)解決方案，這種三電平NPC拓?fù)錇橹?、小功率逆變器如高效的UPS、PV等需要工作在較高開關(guān)頻率和配置有濾波器的應(yīng)用帶來(lái)非常具有吸引力的解決方案。