I-NPC三電平電路的雙脈沖及短路測(cè)試方法

雙脈沖測(cè)試(DPT)是一種被廣泛接受的評(píng)估功率器件動(dòng)態(tài)特性的方法。以IGBT在兩電平橋式電路中應(yīng)用為例，如下圖，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓和第一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間，可以在第一個(gè)脈沖結(jié)束和第二個(gè)脈沖開始時(shí)捕捉到被測(cè)器件在任何所需的電壓和電流條件下的開關(guān)瞬態(tài)行為。DPT結(jié)果量化了功率器件的開關(guān)性能，并為功率變換器的設(shè)計(jì)（如開關(guān)頻率和死區(qū)時(shí)間的確定、熱管理和效率評(píng)估）提供了參考依據(jù)，那么對(duì)于三電平電路，雙脈沖測(cè)試需要怎么做呢？

圖1 兩電平典型DPT電路

圖2 DPT典型測(cè)試波形

1、I-NPC三電平電路的換流方式與雙脈沖測(cè)試方法

首先我們從三電平橋臂的工作模態(tài)看起，以I型NPC(Neutral Point Clamped)三電平電路為例：

圖3 I-NPC三電平橋臂

圖4 I-NPC三電平橋臂輸出電壓電流波形

圖4所示為I-NPC橋臂在輸出功率因數(shù)為零時(shí)一個(gè)工頻周期內(nèi)輸出電壓及電流的波形，二者相位差為90度，一個(gè)周期可分為ABCD段，包含I-NPC電路工作的四種換流方式。

A時(shí)段

A時(shí)段（V>0,I>0）為逆變工況，電壓、電流方向均為正（規(guī)定電流流出橋臂為正），NPC橋臂中點(diǎn)輸出電平在+Vdc和0以開關(guān)頻率跳變，T2常通，T1與D5換流，為小換流回路如圖5虛線所示。此時(shí)段內(nèi)存在T1,T2,D5的導(dǎo)通損耗以及T1,D5的開關(guān)損耗。

對(duì)此種工況進(jìn)行DPT，可將負(fù)載電感連接于直流母線中點(diǎn)與交流出線端間，T3、T4保持關(guān)斷，T2保持導(dǎo)通，T1施加雙脈沖，第一個(gè)脈沖到來后，電流流經(jīng)T1、T2、負(fù)載電感，電流線性上升，第一個(gè)脈沖結(jié)束后，T1關(guān)斷，電感電流通過D5、T2續(xù)流，T1第二個(gè)脈沖到來后，電流繼續(xù)流經(jīng)T1、T2、負(fù)載電感，D5被強(qiáng)迫關(guān)斷，該工況下測(cè)試對(duì)象為T1與D5。

圖5 T1與D5換流及DPT方法

B時(shí)段

B時(shí)段（V>0,I<0）為整流工況，電流流入橋臂，電壓依舊為正方向，T2保持開通，T3與D1換流，也就是所謂的大換流回路如圖6虛線所示。此時(shí)段內(nèi)存在T3,D6,D1,D2的導(dǎo)通損耗以及T3,D1的開關(guān)損耗。

對(duì)此種工況進(jìn)行DPT，可將負(fù)載電感連接于直流母線正端與交流出線端間，T1、T4保持關(guān)斷，T2保持導(dǎo)通，T3施加雙脈沖，第一個(gè)脈沖到來后，電流流經(jīng)負(fù)載電感、T3、D6，電流線性上升，第一個(gè)脈沖結(jié)束后，T3關(guān)斷，電感電流通過T1、T2的反并聯(lián)二極管D1、D2續(xù)流，T3第二個(gè)脈沖到來后，電流繼續(xù)流經(jīng)負(fù)載電感、T3、D6，T1反并聯(lián)二極管D1被強(qiáng)迫關(guān)斷，該工況下測(cè)試對(duì)象為T3與D1。

圖6 T3與D1換流及DPT方法

C時(shí)段

C時(shí)段（V<0,I<0）與A時(shí)段工況對(duì)稱，為逆變工況，T3保持開通，T4與D6換流，換流回路為小回路，此時(shí)段內(nèi)存在T3,T4,D6的導(dǎo)通損耗以及T4,D6的開關(guān)損耗。對(duì)此工況的DPT方法與A時(shí)段工況方法是對(duì)稱的，這里不再贅述，負(fù)載電感連接于直流母線中點(diǎn)與交流出線端間，測(cè)試對(duì)象為T4與D6。

圖7 T4與D6換流及DPT方法

D時(shí)段

D時(shí)段（V<0,I>0）與B時(shí)段工況對(duì)稱，為整流工況，T3保持開通，T2與D4換流，換流回路為大回路。此時(shí)段內(nèi)存在D5,T2,D3,D4的導(dǎo)通損耗以及T2,D4的開關(guān)損耗。對(duì)此工況的DPT方法與B時(shí)段工況方法是對(duì)稱的，負(fù)載電感連接于直流母線負(fù)端與交流出線端間，測(cè)試對(duì)象為T2與D4。

圖8 T2與D4換流及DPT方法

2、I-NPC三電平電路的雙脈沖實(shí)測(cè)

圖13所示為應(yīng)用英飛凌F3L400R10W3S7 EasyPACK? 3B三電平模塊產(chǎn)品的雙脈沖實(shí)測(cè)波形。可以看到在關(guān)斷同樣電流時(shí)，長(zhǎng)換流回路中內(nèi)管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰明顯更大，因此就需要在設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中通過DPT評(píng)估惡劣工況下內(nèi)管的電壓應(yīng)力，優(yōu)化外圍直流母線及功率走線雜散電感或是調(diào)整外圍驅(qū)動(dòng)參數(shù)以改善內(nèi)管的電壓應(yīng)力，避免器件過壓失效。

圖13 F3L400R10W3S7雙脈沖實(shí)測(cè)波形

同時(shí)通過DPT也可量化兩種換流回路雜散電感的大小，如圖13虛線框所示，可以在DPT中被測(cè)器件第二次開通時(shí)觀測(cè)電壓平臺(tái)的跌落與對(duì)應(yīng)電流的變化率以求得，短換流回路雜感約為30nH,長(zhǎng)換流回路雜感約為60nH。

對(duì)于更大功率的系統(tǒng)，通常采用半橋模塊來拼搭三電平電路，在構(gòu)成I-NPC三電平電路時(shí)，主要采用下圖所示方案，短換流工況時(shí)只涉及一個(gè)半橋模塊，長(zhǎng)換流回路則會(huì)涉及所有三個(gè)功率模塊，因此在功率模組設(shè)計(jì)中，母排的設(shè)計(jì)需要格外優(yōu)化盡可能減小長(zhǎng)換流回路的雜散電感以增加功率模組的電流輸出能力。圖15所示為FF1800R12IE5在I-NPC電路里的雙脈沖實(shí)測(cè)波形，在室溫及額定電流條件下，為了降低長(zhǎng)換流回路IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，使用了更大的門級(jí)關(guān)斷電阻，最終T1與T2的最大關(guān)斷尖峰電壓分別為1010V與1100V。

圖14 PrimePACK? 3+半橋模塊構(gòu)建I-NPC三電平電路示意

圖15 FF1800R12IE5雙脈沖實(shí)測(cè)波形

3、I-NPC三電平電路的短路測(cè)試

對(duì)于I-NPC三電平橋臂的短路測(cè)試，通過模擬短路點(diǎn)位置與實(shí)際驅(qū)動(dòng)時(shí)序（內(nèi)管先開后關(guān)），給出以下幾種推薦的測(cè)試工況：

AC點(diǎn)與DC+短接，模擬T3開通時(shí)短路，短路電流流過T3,D6；

AC點(diǎn)與DC-短接，模擬T2開通時(shí)短路，短路電流流過D5,T2；

AC點(diǎn)與直流中點(diǎn)短接，模擬T1或T4開通時(shí)短路，短路電流流過T1,T2或T3,T4；

直流中點(diǎn)與上橋鉗位點(diǎn)短接，模擬T1開通時(shí)短路，短路電流流過T1；

直流中點(diǎn)與下橋鉗位點(diǎn)短接，模擬T4開通時(shí)短路，短路電流流過T4；

AC點(diǎn)與上橋或下橋鉗位點(diǎn)短接，模擬外管開通時(shí)短路，短路電流流過T1,T2,D6或D5,T3,T4。

圖16 I-NPC三電平橋臂短路測(cè)試工況

總結(jié)? ?

本篇介紹了I-NPC三電平電路的幾種不同換流工況，基于此，通過調(diào)整電感位置及功率器件的驅(qū)動(dòng)方式可以模擬實(shí)際工況進(jìn)行對(duì)應(yīng)的雙脈沖測(cè)試，同時(shí)也給出了一些I-NPC電路DPT的實(shí)測(cè)波形，需要格外注意長(zhǎng)換流回路雜散電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最后列出了一些I-NPC電路短路工況供大家在測(cè)試中參考。下一期，我們會(huì)繼續(xù)分析T-NPC電路的雙脈沖測(cè)試與短路測(cè)試評(píng)估。

參考閱讀

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