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。

􀁺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。

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。

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。