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集成的三电平IGBT功率模块

2010-12-24 15:40
苏子言岁月
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  为了充分发掘系统层面的设计优势,以往主要集中在大功率应用的三电平中点钳位(NPC)拓扑电路近来也开始出现在中、小功率应用中。低电压器件改进后的频谱性能和更低的开关损耗,使得UPS系统或太阳能逆变器等需要滤波器的产品受益匪浅。迄今为止,为了实现三电平电路,只能通过采用分立式器件或至少将三个模块结合在一起。现在,采用针对较高击穿电压的芯片技术,通过将三电平桥臂集成到单独模块中,再配上驱动电路,就能够使得这种拓扑在新的应用中更具吸引力。

  三电平NPC拓扑的工作原理

  在三电平NPC的拓扑中,每一个桥臂由四个带反并二极管的IGBT以串联的方式连接,另外再配上两个二极管DH和DL,将它们中间节点连接到直流母线的中性点。其中所采用的所有功率半导体都具备相同的击穿电压。根据输出电压和电流的特点,一个周期的基频输出有四个不同续流工作状态。

  图1. 三电平NPC中某一个桥臂的换流回路。a) 短换流回路; b) 长换流回路

  图1. 三电平NPC中某一个桥臂的换流回路。a) 短换流回路; b) 长换流回路

  从图1a可以看出,电压和电流处于正方向,T1和DH组成了BUCK电路的工作方式,而T2则以常通的方式输出电流。而电压和电流处于负向期间,T4与DB 组成了BOOST电路的工作方式,T3以常通方式输出电流。在上述两种情况下,换流只有发生在两个器件中,我们称之为短续流。然而当输出电流为负向而电压为正向的情况下,流过T3和DB的电流必须如图1b)所示换相至D2和D1。这种换流涉及到四个器件,因此称之为长换流回路。在其它情况下,会存在另一个长换流路径。在设计三电平变换器时,如何控制好长换流回路的杂散电感和过压问题,是设计人员所要面临的又一挑战。

  图2 EasyPACK 2B封装

  图2 EasyPACK 2B封装

  针对三电平NPC拓扑的最新IGBT模块

  虽然总共集成4个IGBT和6个二极管的IGBT模块并不适用于高功率产品,但是只要功率范围一定,并且控制管脚数允许采用标准封装,它是可以适用于中、小功率产品的。

  图3 EconoPACK 4 封装

  图3 EconoPACK 4 封装

  对于小功率产品而言,如图3所示的EasyPACK 2B封装具备足够的DBC面积来集成一个完整的150A三电平模块桥臂。由于可在给定的栅格内任意布置管脚,这些管脚即可以作为功率端子也可作为控制端子,因此这个封装可提供非常理想的连接方式。这种封装可提供辅助发射极端子,可确保IGBT的高速开关。对于电源端子而言,最多可采用8个端子并联,确保获得所需的额定电流以及降低杂散电感和PCB热量。

  对于中功率的产品,全新推出的EconoPACK 4封装提供了一种理想选择,它可集成三电平中所有功率器件。右边的三个功率端子用来把直流母线分开,为三电平逆变器带来极低的寄生电感,与它相对的两个功率端子并联起来作为每一个桥臂的输出端子。在模块封装的两侧是控制引脚,PCB驱动板可以通过这些端子直接连接。这种封装的三电平模块中的桥臂的最高电流高达300A。

  就降低杂散电感而言,将一个三电平相桥臂的所有器件集成至一个模块,是一种很有前景的解决方案。然而,很明显仅600V的器件耐压使它很难满足典型应用,原因在于:母线电压的均压不理想,而且600 V器件开关速度太快。

  为了使设计更加容易并且确保器件在应用中具有更高的裕量,这些模块采用了增强型IGBT和二极管芯片,耐压达到650V。这些新的芯片与众所周知的600V IGBT3器件一样,具有相同的导通特性和开关特性;而且可靠性也没有发生改变(如SOA、RBSOA、SCSOA)。这些通过最新的IGBT和二极管终端结构的开发得以实现,并确保了超薄的70?m芯片厚度不发生改变。因此,650V IGBT的集电极-发射极饱和电压VCE_SAT在25°C仍然保持在极低的1.45V水平(150°C时为1.70V)。器件的开关损耗较低,当开关频率为16kHz时,损耗仅占逆变器总损耗的三分之一。此外,该IGBT还具备非常平滑的电流拖尾特性,即使在恶劣的条件下,也不会造成电压过冲。二极管的VF-Qrr 关系也作了优化,正向压降极在25°C条件下为1.55V((150°C时为1.45V),并保持器软关断特性。

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