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I-NPC三電平電路的雙脈沖及短路測(cè)試方法

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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(guò)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(lái)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(guò)D5、T2續(xù)流,T1第二個(gè)脈沖到來(lái)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(lái)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(guò)T1、T2的反并聯(lián)二極管D1、D2續(xù)流,T3第二個(gè)脈沖到來(lái)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??梢钥吹皆陉P(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(guò)程中通過(guò)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(guò)壓失效。

圖13 F3L400R10W3S7雙脈沖實(shí)測(cè)波形

同時(shí)通過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)T3,D6;

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

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英飛凌科技股份公司是全球功率系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的半導(dǎo)體領(lǐng)導(dǎo)者。英飛凌以其產(chǎn)品和解決方案推動(dòng)低碳化和數(shù)字化進(jìn)程。該公司在全球擁有約58,600名員工,在2023財(cái)年(截至9月30日)的營(yíng)收約為163億歐元。英飛凌在法蘭克福證券交易所上市(股票代碼:IFX),在美國(guó)的OTCQX國(guó)際場(chǎng)外交易市場(chǎng)上市(股票代碼:IFNNY)。 更多信息,請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.infineon.com

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