NPC-2三電平功率模塊中逆阻型IGBT的門極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

變換器拓?fù)浣榻B

􀁺傳統(tǒng)的兩電平拓?fù)洌▓Da）具有兩種開關(guān)狀態(tài)：直流母線的正電壓和負(fù)電壓狀態(tài)（DC+、DC-）；為了降低輸出波形的THD，需要更多的開關(guān)狀態(tài)。

􀁺三電平NPC1（即“1”字型三電平）拓?fù)洌▓Db）可提供所需的額外的開關(guān)狀態(tài)：N點(diǎn)為0V的中性狀態(tài)。

由于更低的電壓波形失真，濾波要求可以降低，可以節(jié)省濾波器的成本。

缺點(diǎn)：開關(guān)器件（IGBT和二極管）的數(shù)量會(huì)增加，從而增大拓?fù)涞膹?fù)雜度并增加系統(tǒng)的成本。

􀁺應(yīng)用三電平NPC2（即T型三電平）拓?fù)洌▓Dc），功率半導(dǎo)體的數(shù)量與NPC1拓?fù)湎啾瓤蛇M(jìn)一步減少。

還可以使用兩個(gè)逆阻型(RB)IGBT，來替代NPC2拓?fù)渲幸怨布姌O方式連接的兩個(gè)IGBT和二極管，這樣NPC2拓?fù)渲锌蓽p少兩個(gè)二極管（圖d）。

􀁺RB-IGBT的特點(diǎn)：

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。

􀁺使用RB-IGBT的優(yōu)勢(shì)：

降低導(dǎo)通損耗、提高封裝面積利用率、簡(jiǎn)化功率模塊的輔助端子布局等。

IGBT驅(qū)動(dòng)器的考慮因素：

各種拓?fù)鋵?duì)IGBT驅(qū)動(dòng)器的要求各不相同。比如：

􀁺 兩電平拓?fù)渫ǔＲ蠖搪繁Ｗo(hù)和過壓保護(hù)即可。常用的短路保護(hù)方法又叫VCEsat或退保護(hù)監(jiān)控；過壓保護(hù)一般采用有源鉗位。

􀁺 對(duì)于三電平NPC1拓?fù)�，IGBT在短路時(shí)刻的關(guān)斷順序非常重要：

1、必須先關(guān)外管，再關(guān)內(nèi)管，否則內(nèi)管IGBT會(huì)承受整個(gè)母線電壓而損壞；

2、發(fā)生短路時(shí)，驅(qū)動(dòng)器不應(yīng)該自動(dòng)關(guān)斷IGBT，而應(yīng)將故障報(bào)告給控制單元，由控制單元來確保正確的關(guān)管順序；

3、只有內(nèi)管IGBT采用有源鉗位的情況下，才能忽略關(guān)管順序，并允許驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)關(guān)斷IGBT。

􀁺 而NPC2拓?fù)鋭t沒有關(guān)管順序的要求。

􀁺NPC1和NPC2拓?fù)涞墓餐攸c(diǎn)是，在正常工作期間，相輸出端U的電壓相對(duì)于中性點(diǎn)N在+1/2DC和-1/2DC之間交變，即極性發(fā)生變化。這一特點(diǎn)對(duì)于在NPC2拓?fù)渲蠳點(diǎn)和U點(diǎn)之間的IGBT形成雙向開關(guān)特別有意義。

下圖所示為當(dāng)外部開關(guān)（此處未顯示）分別導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)內(nèi)管IGBT獲得的電壓。圖a中IGBT的集電極-發(fā)射極電壓始終為正電壓或零（理想化），因此，對(duì)于短路和過壓保護(hù)，無(wú)特殊要求；但是，如果用RB-IGBT作雙向開關(guān)，情況則不同，U點(diǎn)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(dòng)器將會(huì)損壞，并最終損壞IGBT。

下圖為使用富士電機(jī)的NPC2功率模塊4MBI650VB-120R1-50進(jìn)行的測(cè)試。

此例中的負(fù)載連接在U和DC-之間，上管IGBT T1導(dǎo)通和關(guān)斷，VDC = 800V, Iload = 650A 。通道2的波形（“VCE RBIGBTT3”）顯示了在IGBTT1導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)N-U之間的交變電壓：

T1導(dǎo)通時(shí)，T3上的電壓

Vce=400V（+1/2 VDC ）；

T1關(guān)斷時(shí)，T3上的電壓

Vce=-400V（-1/2 VDC ）

NPC2功率模塊4MBI650VB-120R1-50進(jìn)行的測(cè)試

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NPC-2三電平功率模塊中 逆阻型IGBT的門極驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用

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