NPC-2三電平功率模塊中逆阻型IGBT的門極驅動器應用

變換器拓撲介紹

􀁺傳統的兩電平拓撲（圖a）具有兩種開關狀態：直流母線的正電壓和負電壓狀態（DC+、DC-）；為了降低輸出波形的THD，需要更多的開關狀態。

􀁺三電平NPC1（即“1”字型三電平）拓撲（圖b）可提供所需的額外的開關狀態：N點為0V的中性狀態。

由于更低的電壓波形失真，濾波要求可以降低，可以節省濾波器的成本。

缺點：開關器件（IGBT和二極管）的數量會增加，從而增大拓撲的復雜度并增加系統的成本。

􀁺應用三電平NPC2（即T型三電平）拓撲（圖c），功率半導體的數量與NPC1拓撲相比可進一步減少。

還可以使用兩個逆阻型(RB)IGBT，來替代NPC2拓撲中以共集電極方式連接的兩個IGBT和二極管，這樣NPC2拓撲中可減少兩個二極管（圖d）。

􀁺RB-IGBT的特點：

內部結構經過改進，可使IGBT承受相同水平的正向和反向阻斷電壓；相比之下，標準的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的優勢：

降低導通損耗、提高封裝面積利用率、簡化功率模塊的輔助端子布局等。

IGBT驅動器的考慮因素：

各種拓撲對IGBT驅動器的要求各不相同。比如：

􀁺 兩電平拓撲通常要求短路保護和過壓保護即可。常用的短路保護方法又叫VCEsat或退保護監控；過壓保護一般采用有源鉗位。

􀁺 對于三電平NPC1拓撲，IGBT在短路時刻的關斷順序非常重要：

1、必須先關外管，再關內管，否則內管IGBT會承受整個母線電壓而損壞；

2、發生短路時，驅動器不應該自動關斷IGBT，而應將故障報告給控制單元，由控制單元來確保正確的關管順序；

3、只有內管IGBT采用有源鉗位的情況下，才能忽略關管順序，并允許驅動器自動關斷IGBT。

􀁺 而NPC2拓撲則沒有關管順序的要求。

􀁺NPC1和NPC2拓撲的共同特點是，在正常工作期間，相輸出端U的電壓相對于中性點N在+1/2DC和-1/2DC之間交變，即極性發生變化。這一特點對于在NPC2拓撲中N點和U點之間的IGBT形成雙向開關特別有意義。

下圖所示為當外部開關（此處未顯示）分別導通和關斷時內管IGBT獲得的電壓。圖a中IGBT的集電極-發射極電壓始終為正電壓或零（理想化），因此，對于短路和過壓保護，無特殊要求；但是，如果用RB-IGBT作雙向開關，情況則不同，U點存在的交變電壓要求修改經典的短路保護和過壓保護電路。否則，驅動器將會損壞，并最終損壞IGBT。