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          NPC-2三电平功率模块中 逆阻型IGBT的门极驱动器应用

          变换器拓扑介绍
          􀁺传统的两电平拓扑(图a)具有两种开关状态:直流母线的正电压和负电压状态(DC+、DC-);为了降低输出波形的THD,需要更多的开关状态。
          􀁺三电平NPC1(即“1”字型三电平)拓扑(图b)可提供所需的额外的开关状态:N点为0V的中性状态。
          由于更低的电压波形失真,滤波要求可以降低,可以节省滤波器的成本。
          缺点:开关器件(IGBT和二极管)的数量会增加,从而增大拓扑的复杂度并增加系统的成本。
          两电平拓扑
          􀁺应用三电平NPC2(即T型三电平)拓扑(图c) ,功率半导体的数量与NPC1拓扑相比可进一步减少。
          还可以使用两个逆阻型(RB)IGBT,来替代NPC2拓扑中以共集电极方式连接的两个IGBT和二极管,这样NPC2拓扑中可减少两个二极管(图d)。
          􀁺RB-IGBT的特点:
          内部结构经过改进,可使IGBT承受相同水平的正向和反向阻断电压;相比之下,标准的IGBT能承受的反向阻断电压仅为正向阻断电压的几分之一。
          􀁺使用RB-IGBT的优势:
          降低导通损耗、提高封装面积利用率、简化功率模块的辅助端子布局等。
          三电平NPC2
          IGBT驱动器的考虑因素:
          各种拓扑对IGBT驱动器的要求各不相同。比如:
          􀁺 两电平拓扑通常要求短路保护和过压保护即可。常用的短路保护方法又叫VCEsat或退保护监控;过压保护一般采用有源钳位。
          􀁺 对于三电平NPC1拓扑,IGBT在短路时刻的关断顺序非常重要:
          1、必须先关外管,再关内管,否则内管IGBT会承受整个母线电压而损坏;
          2、发生短路时,驱动器不应该自动关断IGBT,而应将故障报告给控制单元,由控制单元来确保正确的关管顺序;
          3、只有内管IGBT采用有源钳位的情况下,才能忽略关管顺序,并允许驱动器自动关断IGBT。
          􀁺 而NPC2拓扑则没有关管顺序的要求。

          􀁺NPC1和NPC2拓扑的共同特点是,在正常工作期间,相输出端U的电压相对于中性点N在+1/2DC和-1/2DC之间交变,即极性发生变化。这一特点对于在NPC2拓扑中N点和U点之间的IGBT形成双向开关特别有意义。
          NPC2拓扑
          下图所示为当外部开关(此处未显示)分别导通和关断时内管IGBT获得的电压。图a中IGBT的集电极-发射极电压始终为正电压或零(理想化),因此,对于短路和过压保护,无特殊要求;但是,如果用RB-IGBT作双向开关,情况则不同,U点存在的交变电压要求修改经典的短路保护和过压保护电路。否则,驱动器将会损坏,并最终损坏IGBT。
          RB-IGBT作双向开关
          下图为使用富士电机的NPC2功率模块4MBI650VB-120R1-50进行的测试。
          此例中的负载连接在U和DC-之间,上管IGBT T1导通和关断,VDC = 800V, Iload = 650A 。通道2的波形(“VCE RBIGBTT3”)显示了在IGBTT1导通和关断时N-U之间的交变电压:
          T1导通时,T3上的电压
          Vce=400V(+1/2 VDC );
          T1关断时,T3上的电压
          Vce=-400V(-1/2 VDC )
          NPC2功率模块4MBI650VB-120R1-50进行的测试
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