集成全新650V IGBT和发射极控制二极管芯片技术的三电平IGBT功率模块

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。
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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。

作者: Zhang Xi、Uwe Jansen和Holger Ruething

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