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圖1 兩電平和三電平NPC1/NPC2半橋拓?fù)涓庞[

可以使用兩個逆阻型(RB) IGBT，來替代NPC2拓?fù)渲幸怨布姌O方式連接的兩個IGBT和二極管。RB-IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)過改進(jìn)，可使IGBT承受相同水平的正向和反向阻斷電壓。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)的IGBT能承受的反向阻斷電壓僅為正向阻斷電壓的幾分之一。因此，使用RB-IGBT意味著NPC2拓?fù)渲锌蓽p少兩個二極管(圖1d)。這樣能夠帶來眾多優(yōu)勢，比如降低導(dǎo)通損耗、提高封裝面積利用率、簡化功率模塊的輔助端子布局等[2]。

2 IGBT 驅(qū)動器考慮因素

圖 1 中所示的各種拓?fù)鋵GBT 驅(qū)動器的要求各不相同。例如，兩電平拓?fù)渫ǔＲ缶邆涠搪繁Ｗo(hù)和過壓保護(hù)之類的功能即可。比較常用的短路保護(hù)方案稱為VCEsat 或退飽和監(jiān)控，如圖6所示。過壓保護(hù)一般通過對IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓進(jìn)行有源鉗位來實現(xiàn)。圖4 所示為該應(yīng)用的示例。

如果使用三電平NPC1 拓?fù)?，IGBT 在短路時的關(guān)斷順序?qū)⒎浅Ｖ匾?。在這種情況下，必須首先關(guān)斷半橋的外部IGBT，然后再關(guān)斷內(nèi)部IGBT。如果未按此順序進(jìn)行關(guān)斷，內(nèi)部IGBT 將會承受整個直流母線電壓并將損壞，因為三電平NPC1 拓?fù)渲蠭GBT 的額定電壓“僅為”直流母線電壓的一半[1]。因此，在發(fā)生短路時驅(qū)動器不應(yīng)自動關(guān)斷IGBT，而應(yīng)將故障狀況報告給控制單元，由控制單元來確保正確的關(guān)斷順序。只有內(nèi)部IGBT 采用了***有源鉗位的情況下，才能忽略關(guān)斷順序，并允許驅(qū)動器執(zhí)行自動關(guān)斷[3]。

圖 1 中所示的NPC 拓?fù)涞墓餐攸c是，在正常工作期間，相輸出端U 的電壓相對于中性點N在+1/2DC 和-1/2DC 之間交變，即極性發(fā)生變化。這一點對于在NPC2 拓?fù)渲蠳 點和U 點之間的IGBT 形成雙向開關(guān)特別有意義。圖2 所示為當(dāng)外部開關(guān)(此處未顯示)分別導(dǎo)通和關(guān)斷時這些IGBT 獲得的電壓。

雙向開關(guān)的理想化電壓分布

圖2 雙向開關(guān)的理想化電壓分布

圖 2a 中IGBT紅邦半導(dǎo)體 的集電極-發(fā)射極電壓始終為正電壓或(理想化)零，這取決于U 處的實際相輸出電壓。因此，對于短路和過壓保護(hù)，無特殊要求。但是，如果用RB-IGBT 作雙向開關(guān)，情況則不同，U 點存在的交變電壓要求修改經(jīng)典的短路保護(hù)和過壓保護(hù)電路。否則，驅(qū)動器將會損壞，并***終損壞IGBT。

圖 3(左)舉例說明使用富士電機(jī)的NPC2 功率模塊4MBI650VB-120R1-50 進(jìn)行的測試。此例中的負(fù)載連接在U 和DC-之間，頂部開關(guān)T1 導(dǎo)通和關(guān)斷。通道2 的波形(“CE RB-IGBT T3”)顯示了在IGBT T1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時N-U 之間的交變電壓。

使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)涞拈_關(guān)波形

圖3 使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)涞拈_關(guān)波形(VDC = 800V, Iload = 650A)

2.1 過壓保護(hù)功能

一般來說，為了防止IGBT被關(guān)斷過壓損壞，通常使用有源鉗位電路。(對于小功率應(yīng)用，也可使用“兩電平關(guān)斷”或“軟關(guān)斷”之類的替代方案[1] ) 。過壓由換流回路中的雜散電感以及電流的變化率(di/dt)引起。有源鉗位能夠可靠地***過壓，在大量應(yīng)用中已經(jīng)證明其可驅(qū)動IGBT進(jìn)入有源區(qū)從而降低di/dt。

a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b)、c) RB-IGBT的有源鉗位電路

圖4 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b)、c) RB-IGBT的有源鉗位電路

圖4a所示為標(biāo)準(zhǔn)IGBT T1的有源鉗位設(shè)置。TVS(D2…x)根據(jù)實際應(yīng)用條件(例如，直流母線電壓、IGBT的VCES等級)進(jìn)行選擇，并通過低壓肖特基二極管或PIN二極管(D1)從集電極連接到門極。此低壓二極管是避免電流從IGBT的門極流入集電極的必需元件，僅要求40V的阻斷能力即可。但是，如果選擇帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則不能使用帶單向TVS和低壓二極管的典型有源鉗位電路。這是因為RB-IGBT兩側(cè)的電壓將會根據(jù)開關(guān)狀態(tài)改變極性(圖4b)。只要相應(yīng)IGBT集電極的極性為正， 對應(yīng)驅(qū)動器的TVS就可以阻斷來自該驅(qū)動器的電壓。但是， 集電極的電壓極性反轉(zhuǎn)后，TVS二極管就開始導(dǎo)通，整個集電極電位將會施加在低壓二極管D1的陽極。此電壓大約等于直流母線電壓的一半，將導(dǎo)致IGBT驅(qū)動器及相關(guān)IGBT損壞。

有兩種可選的預(yù)防措施。在***種解決方案中，必須使用雙向而非單向TVS，如圖4c所示。但是，從圖3中可以看到它的缺點是負(fù)電壓“ax(C2)”有可能達(dá)到相當(dāng)于雙向TVS擊穿電壓的水平。這仍然會使二極管D1承受過高的反向電壓。因此，不推薦使用這種方法。推薦使用第二種解決方案，將低壓二極管D1替換為高壓二極管。該高壓二極管的阻斷電壓必須至少達(dá)到直流母線電壓的一半。請注意，除了阻斷電壓，還必須考慮二極管的爬電距離和電氣間隙。在有些情況下，可能需要使用多個二極管串聯(lián)。

2.1.1 ***有源鉗位功能

為了提高有源鉗位電路的效率， CONCEPT在其多個驅(qū)動器中裝備了被稱為***有源鉗位

(AAC)的功能。AAC在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出級中使用附加的反饋電路。根據(jù)實際的鉗位電流/過壓狀況，內(nèi)部的推動級MOSFET將被線性地關(guān)斷[4]。