驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是限制IGBT的峰值電壓以及處理短路的能力。

倪選偉---賽米控電子（珠海）有限公司上海分公司

1. 三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有高效率和低諧波失真的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在UPS和太陽(yáng)能等領(lǐng)域。最常見(jiàn)的三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有NPC和TNPC，如圖1所示。兩種結(jié)構(gòu)每一相都有4個(gè)IGBT，因此每一相需要四個(gè)驅(qū)動(dòng)核。

圖1：三電平TNPC（左）和NPC（右）拓?fù)?/span>

IGBT T1/T4被叫做外管；IGBT T2/T3被叫做內(nèi)管

驅(qū)動(dòng)可以設(shè)計(jì)為一個(gè)驅(qū)動(dòng)核驅(qū)動(dòng)1個(gè)IGBT，也可以設(shè)計(jì)成的一個(gè)驅(qū)動(dòng)核驅(qū)動(dòng)2個(gè)IGBT。賽米控的SKYPER 42 LJ和SKYPER 12驅(qū)動(dòng)平臺(tái)特別適合三電平的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈儗?duì)短路檢測(cè)的響應(yīng)是可調(diào)的。圖2顯示了雙驅(qū)動(dòng)核在NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中可能的連接方式，這也適用于TNPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@兩種拓?fù)渚哂邢嗤�的脈沖模式。

1. 驅(qū)動(dòng)核1驅(qū)動(dòng)T1和T2，驅(qū)動(dòng)核2驅(qū)動(dòng)T3和T4。

2. 驅(qū)動(dòng)核1驅(qū)動(dòng)外管T1和T4，驅(qū)動(dòng)核2驅(qū)動(dòng)內(nèi)管T2和T3。

3. 驅(qū)動(dòng)核1驅(qū)動(dòng)T1和T3，驅(qū)動(dòng)2驅(qū)動(dòng)T2和T4。

   
   

對(duì)于上面的a和b兩種方式，一定要能夠關(guān)閉驅(qū)動(dòng)程序的互鎖功能，因?yàn)轵?qū)動(dòng)的兩個(gè)IGBT是可以同時(shí)開(kāi)通的。本文討論了這兩種情況。

在三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，T1和T3是不能同時(shí)開(kāi)通的，是互鎖的。因此具有延遲互鎖功能的半橋驅(qū)動(dòng)核可以用于方式c。這時(shí)就不需要控制板來(lái)生成死區(qū)時(shí)間，這同樣適用于T2/T4。

圖2：NPC兩個(gè)驅(qū)動(dòng)核的驅(qū)動(dòng)方式

2. 三電平變頻器的切換模式

2.1 NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為了避免IGBT的過(guò)電壓，外管T1/T4一定要先于內(nèi)管T2/T3關(guān)斷。如圖3所示，以電流流出AC端子為例，當(dāng)外管比內(nèi)管先關(guān)斷時(shí)，電流通過(guò)D5/D6續(xù)流, T1承受半母線電壓(1/2 V_DC)。電流流入AC端子也是類似的。如果內(nèi)管T2先關(guān)斷，則電流會(huì)通過(guò)D3和D4續(xù)流，由于此時(shí)T1仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)，所以整個(gè)母線電壓都會(huì)施加到T2上。此時(shí)，當(dāng)母線電壓大于IGBT的阻斷電壓時(shí)，T2將會(huì)過(guò)壓失效。

圖3：NPC拓?fù)涞恼�確（左）和錯(cuò)誤（右）的切換模式

2.2  TNPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

與NPC一樣，在TNPC拓?fù)渲校�外管T1/T4也應(yīng)該先于內(nèi)管T2/T3關(guān)斷。以圖4為例，此時(shí)通過(guò)D3和T2續(xù)流，T1承受半母線電壓(1/2 V_DC)。但是如果T2先于T1關(guān)斷，則通過(guò)D4續(xù)流；此時(shí)，類似于兩電平結(jié)構(gòu)，但由于換流回路較長(zhǎng)，且承受全母線電壓，導(dǎo)致T1的V_CE尖峰電壓會(huì)較高，容易造成IGBT損壞。

圖4：TNPC拓?fù)涞恼�確（左）和錯(cuò)誤（右）的切換模式

3. IGBT的峰值電壓

3.1 NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

NPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種不同的換流回路，即短換流回路和長(zhǎng)換流回路。圖5顯示了正方向的電流回路，換流回路用綠色矩形表示。有功功率(I_out>0和V_out>0)發(fā)生在短的換流回路中，無(wú)功功率(I_out>0, V_out<0)發(fā)生在長(zhǎng)換流回路中。長(zhǎng)換流回路比短換流回路具有更大的雜散電感，因此開(kāi)關(guān)過(guò)程中的峰值電壓也更高。為了限制峰值電壓，可以通過(guò)調(diào)整門極電阻或者通過(guò)增加有源鉗位電路。

門極電阻控制現(xiàn)代IGBT的關(guān)斷過(guò)程中的尖峰電壓，只在有限的范圍內(nèi)才有效果。

圖5：NPC的短回路和長(zhǎng)回路

在有源鉗位電路中，多個(gè)齊納二極管串聯(lián)在集電極和柵極之間，它們的擊穿電壓V_Zener即為有源鉗位的起始動(dòng)作電壓。在IGBT關(guān)斷過(guò)程中，當(dāng)V_CE上升過(guò)程中超過(guò)V_Zener時(shí)，鉗位二極管導(dǎo)通。導(dǎo)通電流給門極充電，使其再次開(kāi)通，直到V_CE電壓降低到V_Zener電壓以下。

圖6：有源鉗位電路

3.2 TNPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在TNPC拓?fù)渲校瑑?nèi)管IGBT和外管IGBT具有相同的換流電路。橫管(T2,T3)的阻斷電壓通常低于豎管(T1,T4)。

例如：最大直流母線電壓=1000V

T1/T4=1200v IGBT/Diode. 裕值電壓為1200-1000=200v。

T2/T3=650v IGBT/Diode. 裕值電壓為650-500=150v。

在這種情況下，對(duì)水平IGBT來(lái)說(shuō)電壓限制措施往往是必要的，例如增加有源鉗位。

 
圖7：TNPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4. 短路場(chǎng)景

下面討論不同的短路場(chǎng)景。

• 逆變器外部端子之間的短路(圖8)。假設(shè)逆變器的每相的交流輸出端具有電流檢測(cè)和電抗器。

• 在交流電抗器前端的逆變器內(nèi)部端子之間的短路(圖9)。電流傳感器無(wú)法測(cè)量電流，也不受交流電抗器的限制。例如系統(tǒng)中的絕緣失效或金屬部件落入系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)發(fā)生短路故障。

在這兩種情況下，對(duì)短路可以進(jìn)行區(qū)分為

• 相與相之間

• 相與母排之間

以下用逆變器的兩相來(lái)解釋說(shuō)明相與相之間的短路，用一相來(lái)解釋相與母排之間的短路。本文以NPC為例，但是同樣適用于TNPC。

 4.1 在逆變器外部的短路

電流傳感器處于短路通道上，當(dāng)達(dá)到過(guò)流閾值時(shí)，按指定的順序關(guān)閉IGBT:首先關(guān)斷外管IGBT，然后關(guān)斷內(nèi)管IGBT。這些IGBT應(yīng)該在退飽和之前被關(guān)斷，這就需要快速的電流采集和評(píng)估電路。一個(gè)有利的方面是電流的上升速度會(huì)受到交流電抗器的限制，如果只考慮這種類型的短路，是可以不需要對(duì)IGBT進(jìn)行短路檢測(cè)的。然而，如果直到IGBT退飽和之后電流還在上升，可能是因?yàn)殡娏鳈z測(cè)太慢，那么這種情況必須考慮如4.2中所述的。

IGBT的退飽和電流通常發(fā)生在標(biāo)稱電流的3-8倍左右，否則可能導(dǎo)致IGBT的損壞。

圖8：逆變器外部的短路

4.2 在逆變器內(nèi)部的短路

當(dāng)電流傳感器檢測(cè)不到短路電流時(shí)，電流上升直到IGBT退飽和，這時(shí)就需要通過(guò)驅(qū)動(dòng)的短路保護(hù)來(lái)檢測(cè)IGBT的退飽和。如果短路發(fā)生在靠近模塊的地方,電流上升速度在若干個(gè)kA/μs，這時(shí)只有當(dāng)短路時(shí)間(t_psc)在IGBT規(guī)格書中的短路時(shí)間的范圍內(nèi)，才是可行的。

如圖9所示，在相與相的短路期間，電流總是流經(jīng)一個(gè)外管IGBT。如果只涉及內(nèi)管IGBT，則不會(huì)產(chǎn)生短路電流，因?yàn)橹挥蠳端電勢(shì)相連，當(dāng)短路發(fā)生在相與直流母排之間時(shí)，就可能只涉及一個(gè)內(nèi)管IGBT。

圖9：逆變器內(nèi)部的短路

短路的另一種情況是由于控制不正確，多個(gè)IGBT(如T2、T3和T4)同時(shí)開(kāi)通。在無(wú)有源鉗位的情況下，如果直流電壓高于IGBT的阻斷電壓，最后開(kāi)啟的IGBT(如T1)將被過(guò)電壓擊穿。

5.短路保護(hù)設(shè)計(jì)

當(dāng)逆變器外部發(fā)生短路時(shí)，在每一相中，電流傳感器進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)即可，如4.1所述。在接下來(lái)的章節(jié)中，我們只考慮比較嚴(yán)重的逆變器內(nèi)部短路。

5.1 相與相的短路保護(hù)

由于短路電流總是通過(guò)一個(gè)外管IGBT，所以對(duì)這些外管IGBT進(jìn)行短路檢測(cè)就足夠了。在發(fā)生短路檢測(cè)時(shí)，IGBT會(huì)立即通過(guò)一個(gè)比正常門極電阻高許多倍的軟開(kāi)關(guān)電阻關(guān)斷，這使得IGBT上的電壓被限制在允許的范圍內(nèi)。電流從外管IGBT換流到二極管D5或D6時(shí)，驅(qū)動(dòng)給出的故障信號(hào)被反饋給用戶端的控制器，控制器必須在t_psc時(shí)間內(nèi)關(guān)斷內(nèi)管IGBT。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)Rg關(guān)斷時(shí)，為了保護(hù)內(nèi)管IGBT免受過(guò)高的電壓的沖擊，可能需要一個(gè)有源鉗位電路。

為了保持這個(gè)關(guān)斷順序，當(dāng)外管IGBT被檢測(cè)到短路時(shí)，內(nèi)管IGBT不能立即關(guān)斷，只有當(dāng)來(lái)自IGBT的電流已經(jīng)換流到二極管D5或D6時(shí)才能關(guān)斷。在選擇驅(qū)動(dòng)和故障的處理時(shí)必須考慮這一點(diǎn)。圖10顯示了正電流的時(shí)序圖。

TNPC是類似的。T1檢測(cè)到短路并進(jìn)行軟關(guān)斷。電流換流到D3和T2，然后T2在大電流下被硬關(guān)斷。

圖10：在外管上的短路檢測(cè)時(shí)序圖

以下應(yīng)用案例基于賽米控SEMiX5的TNPC和NPC模塊。

使用兩個(gè)SKYPER 12，一個(gè)用于T1、T2，另一個(gè)用于T3、T4。兩個(gè)驅(qū)動(dòng)程序都在NPC模式下運(yùn)行, 當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，驅(qū)動(dòng)會(huì)被軟件關(guān)斷而不是驅(qū)動(dòng)板自己進(jìn)行關(guān)斷。

圖11：SEMiX5的TNPC和NPC的應(yīng)用案例原理

圖12:  SEMiX5的TNPC模塊驅(qū)動(dòng)板

5.2 相與相和相與DC之間的短路保護(hù)

在相與相、相與母排、相與地都有可能發(fā)生短路的情況下，必須對(duì)內(nèi)管和外管都進(jìn)行短路檢測(cè)，這樣所有的IGBT才能被安全的關(guān)斷。

如果外管IGBT被檢測(cè)到短路，則按第5.1節(jié)中所述執(zhí)行關(guān)斷。

如果內(nèi)管IGBT檢測(cè)到短路，這些IGBT不會(huì)關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生故障信號(hào)，如果外管IGBT是開(kāi)通的，用戶端的控制器將先關(guān)斷它們，當(dāng)電流從IGBT轉(zhuǎn)換到二極管D5/D6時(shí)，內(nèi)管IGBT再被關(guān)斷。關(guān)斷的順序必須由控制板來(lái)控制，并且這個(gè)短路關(guān)斷動(dòng)作必須在t_psc內(nèi)完成，外管IGBT用標(biāo)準(zhǔn)R_goff關(guān)斷。圖13顯示了正電流的時(shí)序圖。

在NPC模塊中使用SKYPER 42 LJ驅(qū)動(dòng)可以保證這種關(guān)斷順序。在這種模式下，當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)，IGBT不會(huì)被立即關(guān)斷，而且會(huì)傳輸一個(gè)故障信號(hào)。由于存儲(chǔ)了這個(gè)故障信號(hào)，IGBT在下一次常規(guī)關(guān)斷脈沖時(shí)用軟關(guān)斷電阻進(jìn)行關(guān)斷，因此可以防止過(guò)電壓。

該保護(hù)在2并聯(lián)的SEMiX5 TNPC和NPC的案例中被應(yīng)用。兩個(gè)SEMiX5模塊并聯(lián)，輸出功率約為250kW，使用兩個(gè)SKYPER 42 LJ，驅(qū)動(dòng)器可以通過(guò)一個(gè)Pin腳設(shè)置為二電平或三電平模式。由于有足夠的電壓裕量，NPC應(yīng)用樣品中不需要有源鉗位二極管，而TNPC在內(nèi)管IGBT上提供有源鉗位二極管。

這種驅(qū)動(dòng)可以使內(nèi)管IGBT在NPC模式下運(yùn)行，外管IGBT在二電平模式下運(yùn)行。在短路情況下，IGBT通過(guò)軟關(guān)斷電阻關(guān)斷。

圖13：在內(nèi)管上的短路檢測(cè)時(shí)序圖

圖14:  SEMiX5 TNPC和NPC兩并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)板

圖15:  兩并聯(lián)的驅(qū)動(dòng)板原理

如果所有的IGBT都有短路檢測(cè)和有源鉗位限壓，則是最佳的短路保護(hù)。在這種情況下，每個(gè)IGBT可以在發(fā)生短路時(shí)立即關(guān)斷，而不必注意特定的開(kāi)關(guān)序列。當(dāng)一個(gè)IGBT出現(xiàn)故障信號(hào)時(shí)，就立即關(guān)斷其他所有IGBT，這樣的話也可以使用二電平驅(qū)動(dòng)，該電路的缺點(diǎn)是齊納二極管數(shù)量多，成本高，對(duì)驅(qū)動(dòng)PCB的空間要求高。SEMITRANS 10 NPC的樣機(jī)就應(yīng)用了這個(gè)保護(hù)方式，如圖16。

圖16:  SEMITRANS 10 NPC模塊的驅(qū)動(dòng)板及原理圖

6. 三電平驅(qū)動(dòng)電路的特殊設(shè)計(jì)

與TNPC相比，NPC的短路檢測(cè)和短路關(guān)斷更加困難。TNPC在短路時(shí)只有一個(gè)IGBT處于電流導(dǎo)通模式，而NPC串聯(lián)的兩個(gè)IGBT可以同時(shí)導(dǎo)通。當(dāng)使用同一類型的IGBT時(shí)，兩個(gè)IGBT可能同時(shí)退飽和，這種情況是不可取的，因?yàn)樵诓伙柡偷那闆r下，IGBT具有高增益(大電流變化與小柵極電壓變化)，因此易于振蕩，這可能導(dǎo)致破壞。下面介紹防止這種情況的幾種方式。

1. 只有在逆變器輸出端短路的情況下，可以不考慮這種同時(shí)退飽和的情況。如4.1所述

   
   

2. 所有四個(gè)IGBT都有有源鉗位和短路檢測(cè)的功能時(shí)，如果檢測(cè)到一個(gè)IGBT短路，其他所有IGBT會(huì)立即關(guān)斷。如5.2所述，圖16。

   
   

3. 所有四個(gè)IGBT都具有有源鉗位，而短路檢測(cè)只存在于外管IGBT上。參見(jiàn)圖17c。此外，內(nèi)管IGBT具有比外管IGBT更高的柵極電壓(例如17V)，這是為了確保外管IGBT總是先退飽和。缺點(diǎn)是在AC端和DC+/-端短路時(shí)，外管未參與，內(nèi)管由于門極電壓大，所以短路電流會(huì)非常大。然后IGBT必須在規(guī)定的短路時(shí)間t_psc之前關(guān)斷，以免熱損壞。

    




4. 所有四個(gè)IGBT都具有有源鉗位，但只有內(nèi)管IGBT存在短路檢測(cè)，參見(jiàn)圖17d。此時(shí)外管IGBT的柵極電壓高于內(nèi)管IGBT(如17V)，這是為了確保內(nèi)管IGBT總是先退飽和。因此，所有的短路情況都可以檢測(cè)到。如果檢測(cè)到短路，IGBT將立即關(guān)斷，并產(chǎn)生故障信號(hào)，然后立即關(guān)斷外管IGBT。即使內(nèi)管先關(guān)斷，但是有源鉗位電路能保護(hù)IGBT免于過(guò)壓影響。

   
   

有時(shí)對(duì)內(nèi)管和外管IGBT執(zhí)行不同的V_CE短路檢測(cè)級(jí)別和盲區(qū)時(shí)間，以確保關(guān)斷順序。在實(shí)際中，這一措施通常沒(méi)有很好的效果，因?yàn)榻M件公差比調(diào)整V_CE檢測(cè)等級(jí)和盲區(qū)時(shí)間有更大的影響。

圖17：NPC拓?fù)涓�高門極電壓的短路保護(hù)檢測(cè)

7. 總結(jié)

以上對(duì)NPC和TNPC兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的峰值電壓限制和短路保護(hù)的驅(qū)動(dòng)板配置進(jìn)行了介紹。為了限制峰值電壓，兩個(gè)外管IGBT應(yīng)在內(nèi)管IGBT之前關(guān)斷。

除了對(duì)短路保護(hù)的考慮之外，由于較低的電壓裕量，TNPC和NPC在長(zhǎng)換流回路中由于有較高的雜散電感，內(nèi)管IGBT可能需要通過(guò)有源鉗位來(lái)限制峰值電壓。

TNPC拓?fù)渲械亩搪繁Ｗo(hù)更容易處理，因?yàn)橹挥幸粋�(gè)IGBT在通電。NPC拓?fù)涓�難處理，因?yàn)閮蓚�(gè)IGBT是串聯(lián)的，這可能導(dǎo)致兩個(gè)IGBT同時(shí)退飽和。

在退飽和的檢測(cè)中，只檢測(cè)外管IGBT上的短路保護(hù)，而不檢測(cè)相到地的短路保護(hù)。然而，這種解決方案仍然是有吸引力的，因?yàn)樵�器件�?shù)量相對(duì)較少，且三電平安全關(guān)斷順序是有保證的。在內(nèi)管IGBT上配置有源鉗位可能仍然是必要的。

對(duì)于短路保護(hù)，對(duì)地短路和相與相之間的短路，必須對(duì)所有IGBT進(jìn)行退飽和檢測(cè)。當(dāng)不同的門極電壓作用于NPC電路的內(nèi)管和外管IGBT時(shí)，只對(duì)兩個(gè)IGBT進(jìn)行退飽和檢測(cè)就足夠了，因?yàn)槟菢右呀?jīng)定義了退飽和的順序。

在所有IGBT上使用有源鉗位二極管電路，當(dāng)檢測(cè)到短路保護(hù)時(shí)可以立即關(guān)閉IGBT。優(yōu)點(diǎn)是不需要采用關(guān)斷機(jī)制，可以使用標(biāo)準(zhǔn)的兩電平的驅(qū)動(dòng)電路,但是系統(tǒng)需要大量的器件，特別是齊納二極管，降低了系統(tǒng)的可靠性。此外，因?yàn)槎�極管的公差因素，有源鉗位電路的設(shè)計(jì)具有一定的挑戰(zhàn)性。

如果可以在IGBT退飽和之前用交流側(cè)的電流傳感器檢測(cè)到短路保護(hù)電流，則不需要對(duì)IGBT進(jìn)行退飽和檢測(cè)。這通常是在這種情況下，電流的上升斜率被交流電抗器限制了。這大大降低了對(duì)驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)的要求，缺點(diǎn)是電抗器之前的短路能力弱，例如由于絕緣失效或在制造過(guò)程中的組裝失誤。

針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，需要由系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員去決定哪個(gè)保護(hù)等級(jí)是能夠滿足要求的。