三電平IGBT功率模塊

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關特性；而且可靠性也沒有發生改變(如SOA、RBSOA、SCSOA)。這些通過最新的IGBT和二極管終端結構的開發得以實現，并確保了超薄的70?m芯片厚度不發生改變。因此，650V IGBT的集電極－發射極飽和電壓VCE_SAT在25°C仍然保持在極低的1.45V水平(150°C時為1.70V)。器件的開關損耗較低，當開關頻率為16kHz時，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，也不會造成電壓過沖。二極管的VF-Qrr 關系也作了優化，正向壓降極在25°C條件下為1.55V((150°C時為1.45V)，并保持器軟關斷特性。

設計三電平拓撲的IGBT驅動所面臨的挑戰

在中、小功率的三電平NPC拓撲應用中，為了使系統性能發揮到最佳，對IGBT的驅動提出了一些具體要求。

較高的開關頻率 由于開關頻率范圍從16kHz到30kHz，驅動器必須為每個IGBT提供一致并且較小的傳輸延遲時間，以便減小死區時間。由于650V器件具備快速的開關速度，因此死區時間主要取決于驅動器的傳輸延遲時間的變化。如果死區時間相對于開關周期過長，會導致逆變器的輸出非線性，從而為控制算法帶來多個更多的挑戰。

拓撲電路結構 盡管這些器件的耐壓電壓僅為600V或650V，但驅動器的隔離要求卻與1200V相同。由于驅動電路數量增加一倍，因此必須采用適用于該驅動器的設計，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。首先關斷一個內部的IGBT(圖1中的T2、T3)，會使得母線電壓完全施加到這個器件上，由于超過了器件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驅動技術，可輕松地滿足這些要求：

* 集成的微變壓器技術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實現，這種驅動器在即便在較高開關速度條件下也不會有寄生導通風險[8]。

* 相對于傳統采用光電耦合的驅動器技術，這種微型變壓器技術，可大幅降低傳輸延遲的時間和相互之間的偏差。

* 集成的Vcesat保護功能也可用于外側開關，但對于內側的IGBT該功能需要屏蔽掉。

實驗試驗結果

這部分將介紹采用EasyPACK 2B 三電平模塊的開關波形。在這個電路中，IGBT的IGBT柵極驅動了1ED020I12-F的驅動芯片。采用電流互感器在直流母線的正端DC+或DC-來進行測量電流。

圖4. 短換流的開關波形(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，在標稱電流、400V直流母線電壓和25°C結溫條件下的短換流情況的開關波形。

圖5 長換流的開關波形(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650 V的擊穿電壓。)

長換流回路 圖5 顯示了在相同條件下的長換流的開關波形

首次試驗結果表明，由于將一個完整的三電平橋臂集成在一個模塊中，長換流幾乎可實現與短換流相同的開關性能。不過，要想在更大電流條件下，獲得足夠的裕量，仍需要進一步降低電路的雜散電感。通過將多個電容器并聯，并采用多層電路板來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，實際的應用中在直流母線上是不會采用電流互感器的。在這里采用電流互感器會產生15nH的雜散電感，從而導致45V的過壓。

結論

通過將一個完整的三電平橋臂集成在一個模塊內部，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關頻率和配置有濾波器的應用帶來非常具有吸引力的解決方案。