高效率大功率T型三電平IGBT方案

日前，英飛凌在歐洲PCIM上介紹了PrimePack+封裝的全新產品，該產品基于最新的IGBT7芯片技術，大幅提高了額定電流能力，并定義了全新的2300V芯片電壓，適用于1500Vdc系統(tǒng)。通過不同的拓撲結構和電壓等級組合，有望成為下一代最佳性價比的MW級大功率T型三電平解決方案。

高效率、高可靠性——

大功率T型三電平IGBT方案

當前光伏/儲能/風電等應用中，單機功率需求越來越大；同時基于整機效率和電網(wǎng)友好考慮，三電平變換器也在逐漸成為新的主流方案。與此同時，在IGBT模塊開發(fā)時卻常常面臨一個棘手問題，如何通過最小化的產品型號滿足不同電壓等級和功率等級的需求。

如今，我們找到了最佳的方式：將T型三電平拆分為兩個標準模塊單元，內管為共集電極對管模塊，外管為半橋結構的標準模塊。選用不同電壓的外管即可覆蓋大多數(shù)的應用需求，且保持封裝結構的一致性，如下圖所示：

T型三電平方案示意圖（左：橫管，右：豎管）

大功率應用采用T型三電平的優(yōu)勢

1.導通損耗更低，整體效率更高

IGBT芯片或二極管芯片的輸出特性存在一個“knee voltage”，因此兩個低壓芯片的串聯(lián)阻抗要大于單個高壓芯片。從而T型三電平（NPC2）的導通損耗較I型三電平（NPC1）低，尤其在在1.5kHz~4kHz開關頻率下，整體效率優(yōu)勢明顯。

2.單一換流回路，方便調試優(yōu)化

二極管鉗位三電平（NPC1）換流路徑因功率因數(shù)而改變，長換流路徑雜感較大，對IGBT關斷和二極管反向恢復都是很大挑戰(zhàn)。T型三電平（NPC2）只有單一換流回路，易于優(yōu)化布局設計，改善開關波形，擴大安全工作區(qū)。

3.簡化開關時序，及時故障保護

二極管鉗位三電平（NPC1）需要嚴格遵守開通時“先內后外”，和關斷時（含故障保護）“先外后內”，否則內管極易因承受整個母線電壓而過壓損壞。T型三電平（NPC2）無這些顧慮，可以放心開關操作且內管也可使用短路保護功能。

4.省去均壓電阻，簡化外圍電路

I型三電平（NPC1）在負載電流續(xù)流階段，存在兩個器件（T1/T2 或T3/T4）工作在串聯(lián)模式，其靜態(tài)分壓由漏電流決定。而漏電流受內外管結溫的影響。為消除此影響需要在內管額外并聯(lián)電阻來強制分壓，其損耗可高達10W以上。T型三電平（NPC2）不需要此分壓電阻，可以簡化外圍電路，節(jié)省物料成本。

5.損耗均勻，芯片面積利用最大化

三電平拓撲受工作模式的影響，芯片損耗分布不均而導致芯片整體有效利用率不高。T型三電平（NPC2）多象限運行時換流路徑相對固定，因此芯片利用率高于I型三電平（NPC1）。

6.功率端子并聯(lián)，降低封裝內寄生電阻損耗，并提高載流能力

大功率應用中，IGBT器件封裝的內阻不可忽略。例如1000A有效值電流，在0.5mΩ的封裝內阻上可產生數(shù)百瓦的損耗。此損耗不僅影響整機效率，也會導致銅排溫升過高影響使用。T型三電平方案（NPC2）采用IGBT模塊并聯(lián)組合方式，整體內阻可降至I型三電平方案（NPC1）的1/4，可降低寄生電阻損耗并提高載流能力。

典型組合方案

**來源于行業(yè)應用經(jīng)驗；若長期在高母線電壓下工作，還需考慮宇宙射線引起的失效率問題。

Q&A

Q1

多個模塊拼裝的方式，會不會導致整體換流回路過長、雜感過大？

A1：PrimePack是低雜感封裝結構，內部采用了銅排疊層方式連接各個DCB，芯片均勻分布。當組成T型三電平時，仍構成較小的回路面積，其換流路徑雜散電感可實現(xiàn)30nH以內。需要注意的是：PrimePack組合方式芯片分布均勻，動靜態(tài)均流較獨立三電平封裝更佳，利于提高大電流系統(tǒng)的魯棒性。

Q2

如果要添加snubber吸收電路的話，該如何放置？

A2：Snubber吸收電容可進一步降低換流回路雜感，抑制震蕩和減小尖峰，有利于擴充芯片安全工作區(qū)（在更高的直流電壓下開關）。一般有兩種方式，可根據(jù)實際應用來選擇，如下圖所示（方式1-用來降低換流雜感，方式2-重點保護外管過壓）：

Q3

在1000V系統(tǒng)中，內管使用1200V的芯片，效率方面是否比650V或750V芯片低？

A3：從半導體特性上看，高壓芯片的確要比低壓芯片導通壓降略高。但基于第七代芯片技術的設計對此進行了優(yōu)化，其IGBT/Diode芯片導通壓降只有1.3V/1.6V，已經(jīng)優(yōu)于前代的650V/750V芯片，因此同一款器件可以適用于不同電壓等級的方案中。

原文標題：高效率、高可靠性——大功率T型三電平IGBT方案

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