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，过去主要集中在大功率应用的三电平中点钳位上(NPC)最近，拓扑电路也开始出现在中小功率应用中。低压器件改进后的频谱性能和较低的开关损耗使UPS需要滤波器的产品，如系统或太阳能逆变器，受益匪浅。到目前为止，为了实现三电平电路，只能使用分立式设备或至少三个模块。目前，采用高击穿电压芯片技术，将三电平桥臂集成到单个模块中，再加上驱动电路，使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串联连接，加上两个二极管DH和DL，将其中间节点连接到直流母线的中性点。使用的所有功率半导体都有相同的击穿电压。根据输出电压和电流的特点，一个周期的基频输出有四种不同的续流工作状态。
图1. 三电平NPC桥臂桥臂的换流回路。a) 短换流回路； b) 长换流回路
从图1a电压和电流处于正方向，T1和DH组成了BUCK和T二是通常输出电流。电压和电流处于负向期，T4与DB 组成了BOOST电路的工作方式，T3通常输出电流。在上述两种情况下，换流只发生在两个装置中，我们称之为短流。然而，当输出电流为负而电压为正时，流过T3和DB电流必须如图1所示b)所示换相至D2和D1。这种换流涉及四个装置，因此称为长换流回路。在其他情况下，会有另一条长流路径。设计师在设计三电平变换器时，如何控制长换流电路的杂散电感和过压是另一个挑战。
图2 EasyPACK 2B封装
针对三电平NPC拓扑的最新IGBT模块
虽然总共集成了4个IGBT六个二极管IGBT模块不适用于高功率产品，但只要功率范围一定，管脚数控制允许标准包装，就可以适用于中小功率产品。
图3 EconoPACK 4 封装
对于小功率产品，如图3所示EasyPACK 2B有足够的封装DBC整合一个完整的150面积A桥臂三电平模块。由于管脚可以在给定的网格中任意布置，这些管脚可以用作功率端子或控制端子，因此该包装可以提供理想的连接方式。这种包装可以提供辅助发射极端IGBT高速开关。对于电源端子，最多可以使用8个端子并联，以确保获得所需的额定电流，减少杂散电感和PCB热量。
新推出的中功率产品EconoPACK 4包装提供了一个理想的选择，它可以集成三电平中的所有功率设备。右侧的三个功率端子用于分离直流母线，为三个电平逆变器带来极低的寄生电感，并作为每个桥臂的输出端子并联。控制引脚在模块包装的两侧，PCB驱动板可以通过这些端子直接连接。三电平模块中桥臂达300A。
就降低杂散电感而言，将三电平相桥臂的所有设备集成到模块中是一个非常有前途的解决方案。然而，显然只有600V设备的耐压性使其难以满足典型的应用，因为母线电压均压不理想，600 V设备开关速度过快。
这些模块采用增强型，使设计更容易，确保设备在应用中具有更高的裕度IGBT和二极管芯片，耐压650V。众所周知，这些新芯片是600V IGBT3.具有相同的导通性和开关性能，可靠性没有改变(如SOA、RBSOA、SCSOA)。通过最新的IGBT实现了二极管终端结构的开发，确保了超薄70m芯片厚度不变。因此，650V IGBT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)。当开关频率为16时，设备的开关损耗较低kHz损失仅占逆变器总损失的三分之一。此外，该IGBT还具有非常平滑的电流拖尾特性，即使在恶劣条件下，也不会造成电压过冲。二极管的VF-Qrr 关系也得到了优化，正压降极为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IGBT驱动面临的挑战
中小功率三电平NPC在拓扑应用中，为了充分发挥系统性能，对IGBT驱动提出了一些具体要求。
开关频率高 由于开关频率范围从166开关kHz到30kHz，每个都必须有驱动器IGBT为减少死区时间提供一致且较小的传输延迟时间。由于650V该装置开关速度快，因此死区时间主要取决于驱动器传输延迟时间的变化。与开关周期相比，死区时间过长，会导致逆变器输出非线性，从而给控制算法带来更多挑战。
拓扑电路结构 尽管这些器件的耐压电压仅为600V或650V，但是驱动器的隔离要求是1200V同样的。由于驱动电路数量增加了一倍，因此必须适用于此