為了充分發(fā)掘系統(tǒng)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鉗位（NPC）拓撲電路近來也開始出現(xiàn)在中、小功率應用中。低電壓器件改進后的頻譜性能和更低的開關損耗，使得UPS系統(tǒng)或太陽能逆變器等需要濾波器的產(chǎn)品受益匪淺。迄今為止，為了實現(xiàn)三電平電路，只能通過采用分立式器件或至少將三個模塊結(jié)合在一起。現(xiàn)在，采用針對較高擊穿電壓的芯片技術，通過將三電平橋臂集成到單獨模塊中，再配上驅(qū)動電路，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，每一個橋臂由四個帶反并二極管的IGBT以串聯(lián)的方式連接，另外再配上兩個二極管DH和DL，將它們中間節(jié)點連接到直流母線的中性點。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(jù)輸出電壓和電流的特點，一個周期的基頻輸出有四個不同續(xù)流工作狀態(tài)。
換流回路。a) 短換流回路； b) 長換流回路" border="0" height="333" src="http://files.chinaaet.com/images/20101224/7694468b-4520-42c4-86ae-53a475d7527a.jpg" width="500" />
圖1. 三電平NPC中某一個橋臂的換流回路。a） 短換流回路； b） 長換流回路
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)生在兩個器件中，我們稱之為短續(xù)流。然而當輸出電流為負向而電壓為正向的情況下，流過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器件，因此稱之為長換流回路。在其它情況下，會存在另一個長換流路徑。在設計三電平變換器時，如何控制好長換流回路的雜散電感和過壓問題，是設計人員所要面臨的又一挑戰(zhàn)。
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IGBT和6個二極管的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(shù)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面積來集成一個完整的150A三電平模塊橋臂。由于可在給定的柵格內(nèi)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的高速開關。對于電源端子而言，最多可采用8個端子并聯(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。右邊的三個功率端子用來把直流母線分開，為三電平逆變器帶來極低的寄生電感，與它相對的兩個功率端子并聯(lián)起來作為每一個橋臂的輸出端子。在模塊封裝的兩側(cè)是控制引腳，PCB驅(qū)動板可以通過這些端子直接連接。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，將一個三電平相橋臂的所有器件集成至一個模塊，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足典型應用，原因在于：母線電壓的均壓不理想，而且600 V器件開關速度太快。
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關特性；而且可靠性也沒有發(fā)生改變（如SOA、RBSOA、SCSOA）。這些通過最新的IGBT和二極管終端結(jié)構(gòu)的開發(fā)得以實現(xiàn)，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(yōu)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。
為了充分發(fā)掘系統(tǒng)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鉗位（NPC）拓撲電路近來也開始出現(xiàn)在中、小功率應用中。低電壓器件改進后的頻譜性能和更低的開關損耗，使得UPS系統(tǒng)或太陽能逆變器等需要濾波器的產(chǎn)品受益匪淺。迄今為止，為了實現(xiàn)三電平電路，只能通過采用分立式器件或至少將三個模塊結(jié)合在一起。現(xiàn)在，采用針對較高擊穿電壓的芯片技術，通過將三電平橋臂集成到單獨模塊中，再配上驅(qū)動電路，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，每一個橋臂由四個帶反并二極管的IGBT以串聯(lián)的方式連接，另外再配上兩個二極管DH和DL，將它們中間節(jié)點連接到直流母線的中性點。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(jù)輸出電壓和電流的特點，一個周期的基頻輸出有四個不同續(xù)流工作狀態(tài)。
圖1. 三電平NPC中某一個橋臂的換流回路。a） 短換流回路； b） 長換流回路
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)生在兩個器件中，我們稱之為短續(xù)流。然而當輸出電流為負向而電壓為正向的情況下，流過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器件，因此稱之為長換流回路。在其它情況下，會存在另一個長換流路徑。在設計三電平變換器時，如何控制好長換流回路的雜散電感和過壓問題，是設計人員所要面臨的又一挑戰(zhàn)。
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IGBT和6個二極管的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(shù)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面積來集成一個完整的150A三電平模塊橋臂。由于可在給定的柵格內(nèi)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的高速開關。對于電源端子而言，最多可采用8個端子并聯(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。右邊的三個功率端子用來把直流母線分開，為三電平逆變器帶來極低的寄生電感，與它相對的兩個功率端子并聯(lián)起來作為每一個橋臂的輸出端子。在模塊封裝的兩側(cè)是控制引腳，PCB驅(qū)動板可以通過這些端子直接連接。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，將一個三電平相橋臂的所有器件集成至一個模塊，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足典型應用，原因在于：母線電壓的均壓不理想，而且600 V器件開關速度太快。
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關特性；而且可靠性也沒有發(fā)生改變（如SOA、RBSOA、SCSOA）。這些通過最新的IGBT和二極管終端結(jié)構(gòu)的開發(fā)得以實現(xiàn)，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(yōu)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(qū)動所面臨的挑戰(zhàn)
在中、小功率的三電平NPC拓撲應用中，為了使系統(tǒng)性能發(fā)揮到最佳，對IGBT的驅(qū)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(qū)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(qū)時間。由于650V器件具備快速的開關速度，因此死區(qū)時間主要取決于驅(qū)動器的傳輸延遲時間的變化。如果死區(qū)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(zhàn)。
拓撲電路結(jié)構(gòu) 盡管這些器件的耐壓電壓僅為600V或650V，但驅(qū)動器的隔離要求卻與1200V相同。由于驅(qū)動電路數(shù)量增加一倍，因此必須采用適用于該驅(qū)動器的設計，并且要求其電源具備數(shù)量較少的組件和較小的PCB空間。驅(qū)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(nèi)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(qū)域，將導致器件立即失效。
運用EiceDRIVER系列全新的集成IGBT驅(qū)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(xiàn)，這種驅(qū)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(tǒng)采用光電耦合的驅(qū)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(cè)開關，但對于內(nèi)側(cè)的IGBT該功能需要屏蔽掉。
實驗試驗結(jié)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(qū)動了1ED020I12-F的驅(qū)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(nèi)。）
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(jié)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(jié)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(xiàn)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(lián)，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(chǎn)生15nH的雜散電感，從而導致45V的過壓。
結(jié)論
通過將一個完整的三電平橋臂集成在一個模塊內(nèi)部，把器件耐壓從600V提高到650V，然后配上較高集成度的驅(qū)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。