驅(qū)動設(shè)計的關(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. 三電平拓撲結(jié)構(gòu)

三電平拓撲結(jié)構(gòu)具有高效率和低諧波失真的特點，被廣泛應(yīng)用在UPS和太陽能等領(lǐng)域。最常見的三電平拓撲結(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IGBT，因此每一相需要四個驅(qū)動核。

圖1：三電平TNPC（左）和NPC（右）拓撲

IGBT T1/T4被叫做外管；IGBT T2/T3被叫做內(nèi)管

驅(qū)動可以設(shè)計為一個驅(qū)動核驅(qū)動1個IGBT，也可以設(shè)計成的一個驅(qū)動核驅(qū)動2個IGBT。賽米控的SKYPER 42 LJ和SKYPER 12驅(qū)動平臺特別適合三電平的應(yīng)用，因為它們對短路檢測的響應(yīng)是可調(diào)的。圖2顯示了雙驅(qū)動核在NPC拓撲結(jié)構(gòu)中可能的連接方式，這也適用于TNPC拓撲結(jié)構(gòu)，因為這兩種拓撲具有相同的脈沖模式。

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

2. 驅(qū)動核1驅(qū)動外管T1和T4，驅(qū)動核2驅(qū)動內(nèi)管T2和T3。

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

   
   

對于上面的a和b兩種方式，一定要能夠關(guān)閉驅(qū)動程序的互鎖功能，因為驅(qū)動的兩個IGBT是可以同時開通的。本文討論了這兩種情況。

在三電平拓撲結(jié)構(gòu)中，T1和T3是不能同時開通的，是互鎖的。因此具有延遲互鎖功能的半橋驅(qū)動核可以用于方式c。這時就不需要控制板來生成死區(qū)時間，這同樣適用于T2/T4。

圖2：NPC兩個驅(qū)動核的驅(qū)動方式

2. 三電平變頻器的切換模式

2.1 NPC拓撲結(jié)構(gòu)

為了避免IGBT的過電壓，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，當外管比內(nèi)管先關(guān)斷時，電流通過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，則電流會通過D3和D4續(xù)流，由于此時T1仍然處于導通狀態(tài)，所以整個母線電壓都會施加到T2上。此時，當母線電壓大于IGBT的阻斷電壓時，T2將會過壓失效。

圖3：NPC拓撲的正確（左）和錯誤（右）的切換模式

2.2  TNPC拓撲結(jié)構(gòu)

與NPC一樣，在TNPC拓撲中，外管T1/T4也應(yīng)該先于內(nèi)管T2/T3關(guān)斷。以圖4為例，此時通過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D4續(xù)流；此時，類似于兩電平結(jié)構(gòu)，但由于換流回路較長，且承受全母線電壓，導致T1的V_CE尖峰電壓會較高，容易造成IGBT損壞。

圖4：TNPC拓撲的正確（左）和錯誤（右）的切換模式

3. IGBT的峰值電壓

3.1 NPC拓撲結(jié)構(gòu)

NPC拓撲結(jié)構(gòu)有兩種不同的換流回路，即短換流回路和長換流回路。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，無功功率(I_out>0, V_out<0)發(fā)生在長換流回路中。長換流回路比短換流回路具有更大的雜散電感，因此開關(guān)過程中的峰值電壓也更高。為了限制峰值電壓，可以通過調(diào)整門極電阻或者通過增加有源鉗位電路。

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

圖5：NPC的短回路和長回路

在有源鉗位電路中，多個齊納二極管串聯(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作電壓。在IGBT關(guān)斷過程中，當V_CE上升過程中超過V_Zener時，鉗位二極管導通。導通電流給門極充電，使其再次開通，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拓撲結(jié)構(gòu)

在TNPC拓撲中，內(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，對水平IGBT來說電壓限制措施往往是必要的，例如增加有源鉗位。

 
圖7：TNPC 拓撲結(jié)構(gòu)

4. 短路場景

下面討論不同的短路場景。

• 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)。電流傳感器無法測量電流，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，對短路可以進行區(qū)分為

• 相與相之間

• 相與母排之間

以下用逆變器的兩相來解釋說明相與相之間的短路，用一相來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，當達到過流閾值時，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估電路。一個有利的方面是電流的上升速度會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IGBT進行短路檢測的。然而，如果直到IGBT退飽和之后電流還在上升，可能是因為電流檢測太慢，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)生在標稱電流的3-8倍左右，否則可能導致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

當電流傳感器檢測不到短路電流時，電流上升直到IGBT退飽和，這時就需要通過驅(qū)動的短路保護來檢測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kA/μs，這時只有當短路時間(t_psc)在IGBT規(guī)格書中的短路時間的范圍內(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)一個外管IGBT。如果只涉及內(nèi)管IGBT，則不會產(chǎn)生短路電流，因為只有N端電勢相連，當短路發(fā)生在相與直流母排之間時，就可能只涉及一個內(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IGBT(如T2、T3和T4)同時開通。在無有源鉗位的情況下，如果直流電壓高于IGBT的阻斷電壓，最后開啟的IGBT(如T1)將被過電壓擊穿。

5.短路保護設(shè)計

當逆變器外部發(fā)生短路時，在每一相中，電流傳感器進行過流檢測即可，如4.1所述。在接下來的章節(jié)中，我們只考慮比較嚴重的逆變器內(nèi)部短路。

5.1 相與相的短路保護

由于短路電流總是通過一個外管IGBT，所以對這些外管IGBT進行短路檢測就足夠了。在發(fā)生短路檢測時，IGBT會立即通過一個比正常門極電阻高許多倍的軟開關(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，驅(qū)動給出的故障信號被反饋給用戶端的控制器，控制器必須在t_psc時間內(nèi)關(guān)斷內(nèi)管IGBT。當用標準Rg關(guān)斷時，為了保護內(nèi)管IGBT免受過高的電壓的沖擊，可能需要一個有源鉗位電路。

為了保持這個關(guān)斷順序，當外管IGBT被檢測到短路時，內(nèi)管IGBT不能立即關(guān)斷，只有當來自IGBT的電流已經(jīng)換流到二極管D5或D6時才能關(guān)斷。在選擇驅(qū)動和故障的處理時必須考慮這一點。圖10顯示了正電流的時序圖。

TNPC是類似的。T1檢測到短路并進行軟關(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時序圖

以下應(yīng)用案例基于賽米控SEMiX5的TNPC和NPC模塊。

使用兩個SKYPER 12，一個用于T1、T2，另一個用于T3、T4。兩個驅(qū)動程序都在NPC模式下運行, 當出現(xiàn)故障時，驅(qū)動會被軟件關(guān)斷而不是驅(qū)動板自己進行關(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)動板

5.2 相與相和相與DC之間的短路保護

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

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

如果內(nèi)管IGBT檢測到短路，這些IGBT不會關(guān)斷，驅(qū)動產(chǎn)生故障信號，如果外管IGBT是開通的，用戶端的控制器將先關(guān)斷它們，當電流從IGBT轉(zhuǎn)換到二極管D5/D6時，內(nèi)管IGBT再被關(guān)斷。關(guān)斷的順序必須由控制板來控制，并且這個短路關(guān)斷動作必須在t_psc內(nèi)完成，外管IGBT用標準R_goff關(guān)斷。圖13顯示了正電流的時序圖。

在NPC模塊中使用SKYPER 42 LJ驅(qū)動可以保證這種關(guān)斷順序。在這種模式下，當檢測到短路時，IGBT不會被立即關(guān)斷，而且會傳輸一個故障信號。由于存儲了這個故障信號，IGBT在下一次常規(guī)關(guān)斷脈沖時用軟關(guān)斷電阻進行關(guān)斷，因此可以防止過電壓。

該保護在2并聯(lián)的SEMiX5 TNPC和NPC的案例中被應(yīng)用。兩個SEMiX5模塊并聯(lián)，輸出功率約為250kW，使用兩個SKYPER 42 LJ，驅(qū)動器可以通過一個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)動可以使內(nèi)管IGBT在NPC模式下運行，外管IGBT在二電平模式下運行。在短路情況下，IGBT通過軟關(guān)斷電阻關(guān)斷。

圖13：在內(nèi)管上的短路檢測時序圖

圖14:  SEMiX5 TNPC和NPC兩并聯(lián)的驅(qū)動板

圖15:  兩并聯(lián)的驅(qū)動板原理

如果所有的IGBT都有短路檢測和有源鉗位限壓，則是最佳的短路保護。在這種情況下，每個IGBT可以在發(fā)生短路時立即關(guān)斷，而不必注意特定的開關(guān)序列。當一個IGBT出現(xiàn)故障信號時，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，該電路的缺點是齊納二極管數(shù)量多，成本高，對驅(qū)動PCB的空間要求高。SEMITRANS 10 NPC的樣機就應(yīng)用了這個保護方式，如圖16。

圖16:  SEMITRANS 10 NPC模塊的驅(qū)動板及原理圖

6. 三電平驅(qū)動電路的特殊設(shè)計

與TNPC相比，NPC的短路檢測和短路關(guān)斷更加困難。TNPC在短路時只有一個IGBT處于電流導通模式，而NPC串聯(lián)的兩個IGBT可以同時導通。當使用同一類型的IGBT時，兩個IGBT可能同時退飽和，這種情況是不可取的，因為在不飽和的情況下，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退飽和的情況。如4.1所述

   
   

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

   
   

3. 所有四個IGBT都具有有源鉗位，而短路檢測只存在于外管IGBT上。參見圖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。缺點是在AC端和DC+/-端短路時，外管未參與，內(nèi)管由于門極電壓大，所以短路電流會非常大。然后IGBT必須在規(guī)定的短路時間t_psc之前關(guān)斷，以免熱損壞。

    




4. 所有四個IGBT都具有有源鉗位，但只有內(nèi)管IGBT存在短路檢測，參見圖17d。此時外管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到。如果檢測到短路，IGBT將立即關(guān)斷，并產(chǎn)生故障信號，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IGBT免于過壓影響。

   
   

有時對內(nèi)管和外管IGBT執(zhí)行不同的V_CE短路檢測級別和盲區(qū)時間，以確保關(guān)斷順序。在實際中，這一措施通常沒有很好的效果，因為組件公差比調(diào)整V_CE檢測等級和盲區(qū)時間有更大的影響。

圖17：NPC拓撲更高門極電壓的短路保護檢測

7. 總結(jié)

以上對NPC和TNPC兩種拓撲結(jié)構(gòu)的峰值電壓限制和短路保護的驅(qū)動板配置進行了介紹。為了限制峰值電壓，兩個外管IGBT應(yīng)在內(nèi)管IGBT之前關(guān)斷。

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

TNPC拓撲中的短路保護更容易處理，因為只有一個IGBT在通電。NPC拓撲更難處理，因為兩個IGBT是串聯(lián)的，這可能導致兩個IGBT同時退飽和。

在退飽和的檢測中，只檢測外管IGBT上的短路保護，而不檢測相到地的短路保護。然而，這種解決方案仍然是有吸引力的，因為元器件數(shù)量相對較少，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。

對于短路保護，對地短路和相與相之間的短路，必須對所有IGBT進行退飽和檢測。當不同的門極電壓作用于NPC電路的內(nèi)管和外管IGBT時，只對兩個IGBT進行退飽和檢測就足夠了，因為那樣已經(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，當檢測到短路保護時可以立即關(guān)閉IGBT。優(yōu)點是不需要采用關(guān)斷機制，可以使用標準的兩電平的驅(qū)動電路,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，因為二極管的公差因素，有源鉗位電路的設(shè)計具有一定的挑戰(zhàn)性。

如果可以在IGBT退飽和之前用交流側(cè)的電流傳感器檢測到短路保護電流，則不需要對IGBT進行退飽和檢測。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。這大大降低了對驅(qū)動板設(shè)計的要求，缺點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程中的組裝失誤。

針對不同的應(yīng)用場景，需要由系統(tǒng)設(shè)計人員去決定哪個保護等級是能夠滿足要求的。