三电平IGBT功率模块

电子知识

为了充分发掘系统层面的设计优势，以往主要集中在大功率应用的三电平中点钳位(NPC)拓扑电路近来也开始出现在中、小功率应用中。低电压器件改进后的频谱性能和更低的开关损耗，使得UPS系统或太阳能逆变器等需要滤波器的产品受益匪浅。迄今为止，为了实现三电平电路，只能通过采用分立式器件或至少将三个模块结合在一起。现在，采用针对较高击穿电压的芯片技术，通过将三电平桥臂集成到单独模块中，再配上驱动电路，就能够使得这种拓扑在新的应用中更具吸引力。

三电平NPC拓扑的工作原理

在三电平NPC的拓扑中，每一个桥臂由四个带反并二极管的IGBT以串联的方式连接，另外再配上两个二极管DH和DL，将它们中间节点连接到直流母线的中性点。其中所采用的所有功率半导体都具备相同的击穿电压。根据输出电压和电流的特点，一个周期的基频输出有四个不同续流工作状态。

图1. 三电平NPC中某一个桥臂的换流回路。a) 短换流回路； b) 长换流回路

从图1a可以看出，电压和电流处于正方向，T1和DH组成了BUCK电路的工作方式，而T2则以常通的方式输出电流。而电压和电流处于负向期间，T4与DB 组成了BOOST电路的工作方式，T3以常通方式输出电流。在上述两种情况下，换流只有发生在两个器件中，我们称之为短续流。然而当输出电流为负向而电压为正向的情况下，流过T3和DB的电流必须如图1b)所示换相至D2和D1。这种换流涉及到四个器件，因此称之为长换流回路。在其它情况下，会存在另一个长换流路径。在设计三电平变换器时，如何控制好长换流回路的杂散电感和过压问题，是设计人员所要面临的又一挑战。

图2 EasyPACK 2B封装

针对三电平NPC拓扑的最新IGBT模块

虽然总共集成4个IGBT和6个二极管的IGBT模块并不适用于高功率产品，但是只要功率范围一定，并且控制管脚数允许采用标准封装，它是可以适用于中、小功率产品的。

图3 EconoPACK 4 封装

对于小功率产品而言，如图3所示的EasyPACK 2B封装具备足够的DBC面积来集成一个完整的150A三电平模块桥臂。由于可在给定的栅格内任意布置管脚，这些管脚即可以作为功率端子也可作为控制端子，因此这个封装可提供非常理想的连接方式。这种封装可提供辅助发射极端子，可确保IGBT的高速开关。对于电源端子而言，最多可采用8个端子并联，确保获得所需的额定电流以及降低杂散电感和PCB热量。

对于中功率的产品，全新推出的EconoPACK 4封装提供了一种理想选择，它可集成三电平中所有功率器件。右边的三个功率端子用来把直流母线分开，为三电平逆变器带来极低的寄生电感，与它相对的两个功率端子并联起来作为每一个桥臂的输出端子。在模块封装的两侧是控制引脚，PCB驱动板可以通过这些端子直接连接。这种封装的三电平模块中的桥臂的最高电流高达300A。

就降低杂散电感而言，将一个三电平相桥臂的所有器件集成至一个模块，是一种很有前景的解决方案。然而，很明显仅600V的器件耐压使它很难满足典型应用，原因在于：母线电压的均压不理想，而且600 V器件开关速度太快。

为了使设计更加容易并且确保器件在应用中具有更高的裕量，这些模块采用了增强型IGBT和二极管芯片，耐压达到650V。这些新的芯片与众所周知的600V IGBT3器件一样，具有相同的导通特性和开关特性；而且可靠性也没有发生改变(如SOA、RBSOA、SCSOA)。这些通过最新的IGBT和二极管终端结构的开发得以实现，并确保了超薄的70?m芯片厚度不发生改变。因此，650V IGBT的集电极－发射极饱和电压VCE_SAT在25°C仍然保持在极低的1.45V水平(150°C时为1.70V)。器件的开关损耗较低，当开关频率为16kHz时，损耗仅占逆变器总损耗的三分之一。此外，该IGBT还具备非常平滑的电流拖尾特性，即使在恶劣的条件下，也不会造成电压过冲。二极管的VF-Qrr 关系也作了优化，正向压降极在25°C条件下为1.55V((150°C时为1.45V)，并保持器软关断特性。

设计三电平拓扑的IGBT驱动所面临的挑战

在中、小功率的三电平NPC拓扑应用中，为了使系统性能发挥到最佳，对IGBT的驱动提出了一些具体要求。

较高的开关频率 由于开关频率范围从16kHz到30kHz，驱动器必须为每个IGBT提供一致并且较小的传输延迟时间，以便减小死区时间。由于650V器件具备快速的开关速度，因此死区时间主要取决于驱动器的传输延迟时间的变化。如果死区时间相对于开关周期过长，会导致逆变器的输出非线性，从而为控制算法带来多个更多的挑战。

拓扑电路结构 尽管这些器件的耐压电压仅为600V或650V，但驱动器的隔离要求却与1200V相同。由于驱动电路数量增加一倍，因此必须采用适用于该