為了充分發(fā)掘系統層面的設計優(yōu)勢，以往主要集中在大功率應用的三電平中點(diǎn)鉗位(NPC)拓撲電路近來(lái)也開(kāi)始出現在中、小功率應用中。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)模塊結合在一起�，F在，采用針對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模塊中，再配上驅動(dòng)電路，就能夠使得這種拓撲在新的應用中更具吸引力。
三電平NPC拓撲的工作原理
在三電平NPC的拓撲中，每一個(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，將它們中間節點(diǎn)連接到直流母線(xiàn)的中性點(diǎn)。其中所采用的所有功率半導體都具備相同的擊穿電壓。根據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(cháng)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)之為短續流。然而當輸出電流為負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(cháng)換流回路。在其它情況下，會(huì )存在另一個(gè)長(cháng)換流路徑。在設計三電平變換器時(shí)，如何控制好長(cháng)換流回路的雜散電感和過(guò)壓?jiǎn)?wèn)題，是設計人員所要面臨的又一挑戰。
圖2 EasyPACK 2B封裝
針對三電平NPC拓撲的最新IGBT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，并且控制管腳數允許采用標準封裝，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(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(xiàn)分開(kāi)，為三電平逆變器帶來(lái)極低的寄生電感，與它相對的兩個(gè)功率端子并聯(lián)起來(lái)作為每一個(gè)橋臂的輸出端子。在模塊封裝的兩側是控制引腳，PCB驅動(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(mǎn)足典型應用，原因在于：母線(xiàn)電壓的均壓不理想，而且600 V器件開(kāi)關(guān)速度太快。
為了使設計更加容易并且確保器件在應用中具有更高的裕量，這些模塊采用了增強型IGBT和二極管芯片，耐壓達到650V。這些新的芯片與眾所周知的600V IGBT3器件一樣，具有相同的導通特性和開(kāi)關(guān)特性；而且可靠性也沒(méi)有發(fā)生改變(如SOA、RBSOA、SCSOA)。這些通過(guò)最新的IGBT和二極管終端結構的開(kāi)發(fā)得以實(shí)現，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(kāi)關(guān)損耗較低，當開(kāi)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。
設計三電平拓撲的IGBT驅動(dòng)所面臨的挑戰
在中、小功率的三電平NPC拓撲應用中，為了使系統性能發(fā)揮到最佳，對IGBT的驅動(dòng)提出了一些具體要求。
較高的開(kāi)關(guān)頻率 由于開(kāi)關(guān)頻率范圍從16kHz到30kHz，驅動(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，以便減小死區時(shí)間。由于650V器件具備快速的開(kāi)關(guān)速度，因此死區時(shí)間主要取決于驅動(dòng)器的傳輸延遲時(shí)間的變化。如果死區時(shí)間相對于開(kāi)關(guān)周期過(guò)長(cháng)，會(huì )導致逆變器的輸出非線(xiàn)性，從而為控制算法帶來(lái)多個(gè)更多的挑戰。
拓撲電路結構 盡管這些器件的耐壓電壓僅為600V或650V，但驅動(dòng)器的隔離要求卻與1200V相同。由于驅動(dòng)電路數量增加一倍，因此必須采用適用于該驅動(dòng)器的設計，并且要求其電源具備數量較少的組件和較小的PCB空間。驅動(dòng)電路的保護特性如短路檢測和欠壓鎖定等必須與三電平NPC拓撲匹配。首先關(guān)斷一個(gè)內部的IGBT(圖1中的T2、T3)，會(huì )使得母線(xiàn)電壓完全施加到這個(gè)器件上，由于超過(guò)了器件SCSOA或RBSOA區域，將導致器件立即失效。
運用EiceDRIVER系列全新的集成IGBT驅動(dòng)技術(shù)，可輕松地滿(mǎn)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，這種驅動(dòng)器在即便在較高開(kāi)關(guān)速度條件下也不會(huì )有寄生導通風(fēng)險[8]。
* 相對于傳統采用光電耦合的驅動(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保護功能也可用于外側開(kāi)關(guān)，但對于內側的IGBT該功能需要屏蔽掉。
實(shí)驗試驗結果
這部分將介紹采用EasyPACK 2B 三電平模塊的開(kāi)關(guān)波形。在這個(gè)電路中，IGBT的IGBT柵極驅動(dòng)了1ED020I12-F的驅動(dòng)芯片。采用電流互感器在直流母線(xiàn)的正端DC+或DC-來(lái)進(jìn)行測量電流。
圖4. 短換流的開(kāi)關(guān)波形(峰值電壓為550 V，電壓仍在允許范圍之內。)
短換流回路 圖4 顯示的是，在標稱(chēng)電流、400V直流母線(xiàn)電壓和25°C結溫條件下的短換流情況的開(kāi)關(guān)波形。
圖5 長(cháng)換流的開(kāi)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(cháng)換流回路 圖5 顯示了在相同條件下的長(cháng)換流的開(kāi)關(guān)波形
首次試驗結果表明，由于將一個(gè)完整的三電平橋臂集成在一個(gè)模塊中，長(cháng)換流幾乎可實(shí)現與短換流相同的開(kāi)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)際的應用中在直流母線(xiàn)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，從而導致45V的過(guò)壓。
結論
通過(guò)將一個(gè)完整的三電平橋臂集成在一個(gè)模塊內部，把器件耐壓從600V提高到650V，然后配上較高集成度的驅動(dòng)解決方案，這種三電平NPC拓撲為中、小功率逆變器如高效的UPS、PV等需要工作在較高開(kāi)關(guān)頻率和配置有濾波器的應用帶來(lái)非常具有吸引力的解決方案。 |
