Christoph Dustert, CONCEPT Niederlassung der Power Integrations GmbH

Hellweg Forum 1, 59469 Ense, Germany

Andreas Volke, CONCEPT Niederlassung der Power Integrations GmbH,

Hellweg Forum 1, 59494 Ense, Germany

摘要

多年來，三電平拓?fù)湟驯粡V泛用于各種應(yīng)用。此類應(yīng)用通常基于經(jīng)典的中性點鉗位(NPC1)拓?fù)?，每個半橋有四個功率開關(guān)(IGBT)，另外還有兩個鉗位二極管。這種拓?fù)涞囊环N變體被稱為NPC2拓?fù)洌總€半橋使用兩個IGBT，另有兩個IGBT以共集電極連接的方式連接在鉗位電路中。這種拓?fù)湟部刹捎脙蓚€逆阻型(RB) IGBT來取代兩個共集電極連接的IGBT，以減少導(dǎo)通元件的數(shù)量。對于NPC1/NPC2與帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，其門極驅(qū)動器的要求（特別是涉及退飽和監(jiān)控和有源鉗位之類的保護(hù)功能）有所不同。本文將討論這些差異，并提供了成熟的解決方案，對標(biāo)準(zhǔn)門極驅(qū)動器進(jìn)行修改以將其用于帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)洹?/span>

1 介紹

傳統(tǒng)的兩電平變換器拓?fù)洌▓D1a）的特點是具有兩種開關(guān)狀態(tài)：直流母線的正電壓和負(fù)電壓狀態(tài)(DC+, DC-)。為了降低輸出波形中的總諧波失真，需要更多的開關(guān)狀態(tài)。眾所周知的三電平NPC1拓?fù)洌▓D1b）可提供此類額外的開關(guān)狀態(tài)：N點為0V的中性狀態(tài)。由于更低的電壓波形失真，濾波要求可以被降低。這就使這些拓?fù)涞奈υ絹碓礁?，因為濾波器的成本已成為變換器系統(tǒng)設(shè)計中的重要影響因素。使用三電平拓?fù)涞娜秉c是開關(guān)器件（IGBT和二極管） 的數(shù)量會增加，從而增大復(fù)雜度并部分地增加整個系統(tǒng)的成本[1]。通過應(yīng)用NPC2拓?fù)洌▓D1c），功率半導(dǎo)體的數(shù)量與經(jīng)典的NPC1裝置相比可進(jìn)一步減少。

圖1 兩電平和三電平NPC1/NPC2半橋拓?fù)涓庞[

可以使用兩個逆阻型(RB) IGBT，來替代NPC2拓?fù)渲幸怨布姌O方式連接的兩個IGBT和二極管。RB-IGBT的內(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。因此，使用RB-IGBT意味著NPC2拓?fù)渲锌蓽p少兩個二極管（圖1d）。這樣能夠帶來眾多優(yōu)勢，比如降低導(dǎo)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[2]。

2 IGBT 驅(qū)動器考慮因素

圖 1 中所示的各種拓?fù)鋵GBT 驅(qū)動器的要求各不相同。例如，兩電平拓?fù)渫ǔＲ缶邆涠搪繁Ｗo(hù)和過壓保護(hù)之類的功能即可。比較常用的短路保護(hù)方案稱為VCEsat 或退飽和監(jiān)控，如圖6所示。過壓保護(hù)一般通過對IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓進(jìn)行有源鉗位來實現(xiàn)。圖4 所示為該應(yīng)用的示例。

如果使用三電平NPC1 拓?fù)?，IGBT 在短路時的關(guān)斷順序?qū)⒎浅Ｖ匾Ｔ谶@種情況下，必須首先關(guān)斷半橋的外部IGBT，然后再關(guān)斷內(nèi)部IGBT。如果未按此順序進(jìn)行關(guān)斷，內(nèi)部IGBT 將會承受整個直流母線電壓并將損壞，因為三電平NPC1 拓?fù)渲蠭GBT 的額定電壓“僅為”直流母線電壓的一半[1]。因此，在發(fā)生短路時驅(qū)動器不應(yīng)自動關(guān)斷IGBT，而應(yīng)將故障狀況報告給控制單元，由控制單元來確保正確的關(guān)斷順序。只有內(nèi)部IGBT 采用了高級有源鉗位的情況下，才能忽略關(guān)斷順序，并允許驅(qū)動器執(zhí)行自動關(guān)斷[3]。

圖 1 中所示的NPC 拓?fù)涞墓餐攸c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(fā)生變化。這一點對于在NPC2 拓?fù)渲蠳 點和U 點之間的IGBT 形成雙向開關(guān)特別有意義。圖2 所示為當(dāng)外部開關(guān)（此處未顯示）分別導(dǎo)通和關(guān)斷時這些IGBT 獲得的電壓。

圖2 雙向開關(guān)的理想化電壓分布

圖 2a 中IGBT 的集電極-發(fā)射極電壓始終為正電壓或（理想化）零，這取決于U 處的實際相輸出電壓。因此，對于短路和過壓保護(hù)，無特殊要求。但是，如果用RB-IGBT 作雙向開關(guān)，情況則不同，U 點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)動器將會損壞，并最終損壞IGBT。

圖 3（左）舉例說明使用富士電機的NPC2 功率模塊4MBI650VB-120R1-50 進(jìn)行的測試。此例中的負(fù)載連接在U 和DC-之間，頂部開關(guān)T1 導(dǎo)通和關(guān)斷。通道2 的波形（“CE RB-IGBT T3”）顯示了在IGBT T1 的導(dǎo)通和關(guān)斷時N-U 之間的交變電壓。

圖3 使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)涞拈_關(guān)波形(VDC = 800V, Iload = 650A)

2.1 過壓保護(hù)功能

一般來說，為了防止IGBT被關(guān)斷過壓損壞，通常使用有源鉗位電路。（對于小功率應(yīng)用，也可使用“兩電平關(guān)斷”或“軟關(guān)斷”之類的替代方案[1] ） 。過壓由換流回路中的雜散電感以及電流的變化率(di/dt)引起。有源鉗位能夠可靠地抑制過壓，在大量應(yīng)用中已經(jīng)證明其可驅(qū)動IGBT進(jìn)入有源區(qū)從而降低di/dt。

圖4 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b)、c) RB-IGBT的有源鉗位電路

圖4a所示為標(biāo)準(zhǔn)IGBT T1的有源鉗位設(shè)置。TVS(D2…x)根據(jù)實際應(yīng)用條件（例如，直流母線電壓、IGBT的VCES等級）進(jìn)行選擇，并通過低壓肖特基二極管或PIN二極管(D1)從集電極連接到門極。此低壓二極管是避免電流從IGBT的門極流入集電極的必需元件，僅要求40V的阻斷能力即可。但是，如果選擇帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則不能使用帶單向TVS和低壓二極管的典型有源鉗位電路。這是因為RB-IGBT兩側(cè)的電壓將會根據(jù)開關(guān)狀態(tài)改變極性（圖4b）。只要相應(yīng)IGBT集電極的極性為正， 對應(yīng)驅(qū)動器的TVS就可以阻斷來自該驅(qū)動器的電壓。但是， 集電極的電壓極性反轉(zhuǎn)后，TVS二極管就開始導(dǎo)通，整個集電極電位將會施加在低壓二極管D1的陽極。此電壓大約等于直流母線電壓的一半，將導(dǎo)致IGBT驅(qū)動器及相關(guān)IGBT損壞。

有兩種可選的預(yù)防措施。在第一種解決方案中，必須使用雙向而非單向TVS，如圖4c所示。但是，從圖3中可以看到它的缺點是負(fù)電壓“ax(C2)”有可能達(dá)到相當(dāng)于雙向TVS擊穿電壓的水平。這仍然會使二極管D1承受過高的反向電壓。因此，不推薦使用這種方法。推薦使用第二種解決方案，將低壓二極管D1替換為高壓二極管。該高壓二極管的阻斷電壓必須至少達(dá)到直流母線電壓的一半。請注意，除了阻斷電壓，還必須考慮二極管的爬電距離和電氣間隙。在有些情況下，可能需要使用多個二極管串聯(lián)。

2.1.1 高級有源鉗位功能

為了提高有源鉗位電路的效率， CONCEPT在其多個驅(qū)動器中裝備了被稱為高級有源鉗位

(AAC)的功能。AAC在驅(qū)動器內(nèi)部的輸出級中使用附加的反饋電路。根據(jù)實際的鉗位電流/過壓狀況，內(nèi)部的推動級MOSFET將被線性地關(guān)斷[4]。

圖5 a)標(biāo)準(zhǔn)IGBT和b) RB-IGBT的高級有源鉗位電路

如果使用帶RB-IGBT的NPC2拓?fù)?，則需要修改常規(guī)的AAC設(shè)計。圖5 a 所示為包含D1和D3（低壓二極管）的標(biāo)準(zhǔn)IGBT常用的AAC。由于僅使用一個雙向TVS(Dx)，當(dāng)–C/2施加于端子U時，A點將會產(chǎn)生危險的高壓。這會導(dǎo)致二極管D1和D3以及20R電阻過載，最終導(dǎo)致整個驅(qū)動器過載。為了防止出現(xiàn)這種高壓，建議將所有單向TVS全都替換為雙向TVS。此外，這些TVS還需要再串聯(lián)一個單向TVS D4（圖5b）。TVS網(wǎng)絡(luò)的不對稱擊穿電壓可確保當(dāng)相輸出端U出現(xiàn)負(fù)電壓(-DC/2)時，A點產(chǎn)生的電壓處在安全范圍內(nèi)（假定根據(jù)實際應(yīng)用條件選擇TVS），而當(dāng)U為正電壓（+DC/2）時，有源鉗位可以正常工作。

2.2 短路保護(hù)功能

為了在短路事件中保護(hù)任何拓?fù)涞腎GBT，需要可靠的退飽和監(jiān)控功能。圖6 所示為經(jīng)典的退飽和監(jiān)控方案，該方案中使用高壓二極管。這種設(shè)置通常用于檢測短路。更先進(jìn)的解決方案是將高壓二極管替換為電阻網(wǎng)絡(luò)（圖7a 中的Rvce），該電阻網(wǎng)絡(luò)能夠在IGBT 導(dǎo)通狀態(tài)下測量VCE 電壓。這種解決方案可避免短路保護(hù)誤動作[1]。兩種方案均可用于兩電平和三電平NPC1/NPC2 拓?fù)洹?/span>

但是，如果選擇了帶RB-IGBT 的NPC2 拓?fù)?，利用高壓二極管的退飽和監(jiān)控將不再起作用。與過壓保護(hù)功能中解釋的原因相同，只要對應(yīng)的集電極電壓為正電位（相對于發(fā)射極），且對應(yīng)的驅(qū)動器的高壓二極管可阻斷集電極和驅(qū)動器低壓側(cè)的檢測輸入端之間的電壓，這種方法就起作用。但是只要極性變?yōu)樨?fù)電位，二極管就開始導(dǎo)通，過高的電流將流過二極管，這將會損壞驅(qū)動器和/或IGBT。

在使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能中，電阻Rvce 可降低集電極電壓并限制從集電極流向驅(qū)動器檢測輸入端的電流。本文的下一部分將簡要介紹這種電路的原理。[5]

圖6 使用高壓二極管的退飽和監(jiān)控功能

2.2.1 使用電阻網(wǎng)絡(luò)的短路保護(hù)功能

下面的說明請參照圖 7。在IGBT 關(guān)斷狀態(tài)下，驅(qū)動器內(nèi)部的MOSFET 將檢測管腳連接到

COM（門極驅(qū)動器的負(fù)電位）。然后，電容C_ax 預(yù)充電/放電至負(fù)電源電壓。如果沒有二極管D1，K 點將會產(chǎn)生電壓V_K，該電壓可按公式 1 進(jìn)行計算。

公式 1： 

D1 的功能是將電壓V_K 鉗位在正電源電壓V_CC，以防止門極驅(qū)動器的檢測輸入端受到高壓損壞。流經(jīng)K 點的最大電流可按下面的公式進(jìn)行計算：

公式 2：

為了限制電阻網(wǎng)絡(luò)和二極管 D1 中的損耗，建議在最大直流母線電壓條件下將電流調(diào)整為

0.6…mA。流經(jīng) F 點的電流可按公式 3 進(jìn)行計算。此電流將在IGBT 導(dǎo)通時為C_ax 充電。C_ax 充電所需的時間決定了短路保護(hù)功能的響應(yīng)動間。

公式 3：

在 IGBT 打開且處于導(dǎo)通狀態(tài)時，上述MOSFET 關(guān)斷。隨著V_CE 降低，C_ax 從COM 電位充電至IGBT 飽和電壓。C_ax 上的電壓始終與由Rref 決定的參考電壓進(jìn)行比較。發(fā)生短路時，電容C_ax 的電壓隨著IGBT 退飽和而升高。當(dāng)C_ax 的電壓高于參考電壓時，驅(qū)動器即將此視為故障狀況。圖7b 描述了短路保護(hù)的過程。

圖7 使用電阻網(wǎng)絡(luò)的退飽和監(jiān)控功能原理圖

如果在關(guān)斷狀態(tài)下IGBT 的集電極出現(xiàn)負(fù)電壓，則K 點的電壓也將為負(fù)電壓。為了防止驅(qū)動器的檢測管腳輸出電流，需要在電路中再增加一個二極管D2（圖8）。否則，在驅(qū)動電路中將會產(chǎn)生襯底電流并發(fā)生意外的閂鎖效應(yīng)（注：也可在ASIC 內(nèi)進(jìn)行有源整流以解決此問題）。二極管D2 可將K 點的電壓鉗位在發(fā)射極電位，防止/限制任何電流從驅(qū)動器的檢測管腳流出。

圖8 改進(jìn)的使用電阻網(wǎng)絡(luò)的退飽和監(jiān)控功能

圖 9 演示了使用富士電機的RB-IGBT NPC2 4MBI300VG-120R-50 功率模塊配合CONCEPT標(biāo)準(zhǔn)版本的2SC0106T 驅(qū)動核（2SC0108T 和2SC0435T 等其他驅(qū)動核也適用），并按推薦的電路對短路和有源鉗位進(jìn)行修改，能夠成功的進(jìn)行短路保護(hù)。使用無吸收電容的標(biāo)準(zhǔn)裝置，施加的直流母線電壓為800V。

圖9 根據(jù)推薦電路修改驅(qū)動器后進(jìn)行的短路測試

3 結(jié)論

綜上所述，對于使用RB-IGBT的NPC2拓?fù)洌枰薷慕?jīng)典的保護(hù)功能，例如退飽和監(jiān)控和有源鉗位。這些修改可利用CONCEPT提供的標(biāo)準(zhǔn)驅(qū)動核方便地實現(xiàn)。如果不做這些修改，相輸出端的負(fù)電壓將會使驅(qū)動器過載，從而損壞驅(qū)動器并最終損壞整個功率單元。本文推薦的解決方案，為RB-IGBTs新技術(shù)在太陽能發(fā)電和UPS等領(lǐng)域中的應(yīng)用開辟了新的道路。

4 參考資料

[1] Andreas Volke, Michael Hornkamp, “GBT Modules –Technologies, Driver and Application” Infineon Technologies AG, 2nd Edition 2012

[2] Manabu Takei et al., “pplication Technologies of Reverse-Blocking IGBT” Fuji Electric Journal Vol. 75 No. 8 2002

[3] Olivier Garcia et al., “afe Driving of Multi-Level Converters Using Sophisticated Gate Driver Technology” PCIM Shanghai 2013

[4] Heinz Rüedi et al., “dvantages of Advanced Active Clamping” Power Electronics Europe 2009

[5] Application Note AN-1101, “pplication with SCALE™2 Gate Driver Cores” CONCEPT 2013

[6] Datasheet, “MBI650VB-120R1-50” Fuji Electric

[7] Datasheet, “MBI300VG-120R-50” Fuji Electric

[8] Datasheet, “SC0106T2x0-12” CONCEPT