三电平IGBT功率模块

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驱动器的设计，并且要求其电源具备数量较少的组件和较小的PCB空间。驱动电路的保护特性如短路检测和欠压锁定等必须与三电平NPC拓扑匹配。首先关断一个内部的IGBT(图1中的T2、T3)，会使得母线电压完全施加到这个器件上，由于超过了器件SCSOA或RBSOA区域，将导致器件立即失效。

运用EiceDRIVER系列全新的集成IGBT驱动技术，可轻松地满足这些要求：

* 集成的微变压器技术提供基本的绝缘功能，其绝缘电压高达1420 Vpeak。

* 集成的有源米勒箝位功能可以采用单电源来实现，这种驱动器在即便在较高开关速度条件下也不会有寄生导通风险[8]。

* 相对于传统采用光电耦合的驱动器技术，这种微型变压器技术，可大幅降低传输延迟的时间和相互之间的偏差。

* 集成的Vcesat保护功能也可用于外侧开关，但对于内侧的IGBT该功能需要屏蔽掉。

实验试验结果

这部分将介绍采用EasyPACK 2B 三电平模块的开关波形。在这个电路中，IGBT的IGBT栅极驱动了1ED020I12-F的驱动芯片。采用电流互感器在直流母线的正端DC+或DC-来进行测量电流。

图4. 短换流的开关波形(峰值电压为550 V，电压仍在允许范围之内。)

短换流回路 图4 显示的是，在标称电流、400V直流母线电压和25°C结温条件下的短换流情况的开关波形。

图5 长换流的开关波形(峰值电压为580V。该电压仅比短换流的峰值电压高30V，仍然不超过650 V的击穿电压。)

长换流回路 图5 显示了在相同条件下的长换流的开关波形

首次试验结果表明，由于将一个完整的三电平桥臂集成在一个模块中，长换流几乎可实现与短换流相同的开关性能。不过，要想在更大电流条件下，获得足够的裕量，仍需要进一步降低电路的杂散电感。通过将多个电容器并联，并采用多层电路板来减小模块和电容器之间的电流回路，可有效减小寄生电感。此外，必须要考虑的是，实际的应用中在直流母线上是不会采用电流互感器的。在这里采用电流互感器会产生15nH的杂散电感，从而导致45V的过压。

结论

通过将一个完整的三电平桥臂集成在一个模块内部，把器件耐压从600V提高到650V，然后配上较高集成度的驱动解决方案，这种三电平NPC拓扑为中、小功率逆变器如高效的UPS、PV等需要工作在较高开关频率和配置有滤波器的应用带来非常具有吸引力的解决方案。