I-NPC三電平電路的雙脈沖及短路測試方法

雙脈沖測試(DPT)是一種被廣泛接受的評估功率器件動態(tài)特性的方法。以IGBT在兩電平橋式電路中應用為例，如下圖，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓和第一個脈沖持續(xù)時間，可以在第一個脈沖結(jié)束和第二個脈沖開始時捕捉到被測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（如開關(guān)頻率和死區(qū)時間的確定、熱管理和效率評估）提供了參考依據(jù)，那么對于三電平電路，雙脈沖測試需要怎么做呢？

圖1 兩電平典型DPT電路

圖2 DPT典型測試波形

1. I-NPC三電平電路的換流方式與雙脈沖測試方法

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)為零時一個工頻周期內(nèi)輸出電壓及電流的波形，二者相位差為90度，一個周期可分為ABCD段，包含I-NPC電路工作的四種換流方式。

A時段

A時段（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。此時段內(nèi)存在T1,T2,D5的導通損耗以及T1,D5的開關(guān)損耗。

對此種工況進行DPT，可將負載電感連接于直流母線中點與交流出線端間，T3、T4保持關(guān)斷，T2保持導通，T1施加雙脈沖，第一個脈沖到來后，電流流經(jīng)T1、T2、負載電感，電流線性上升，第一個脈沖結(jié)束后，T1關(guān)斷，電感電流通過D5、T2續(xù)流，T1第二個脈沖到來后，電流繼續(xù)流經(jīng)T1、T2、負載電感，D5被強迫關(guān)斷，該工況下測試對象為T1與D5。

圖5 T1與D5換流及DPT方法

B時段

B時段（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。此時段內(nèi)存在T3,D6,D1,D2的導通損耗以及T3,D1的開關(guān)損耗。

對此種工況進行DPT，可將負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保持導通，T3施加雙脈沖，第一個脈沖到來后，電流流經(jīng)負載電感、T3、D6，電流線性上升，第一個脈沖結(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第二個脈沖到來后，電流繼續(xù)流經(jīng)負載電感、T3、D6，T1反并聯(lián)二極管D1被強迫關(guān)斷，該工況下測試對象為T3與D1。

圖6 T3與D1換流及DPT方法

C時段

C時段（V<0,I<0）與A時段工況對稱，為逆變工況，T3保持開通，T4與D6換流，換流回路為小回路，此時段內(nèi)存在T3,T4,D6的導通損耗以及T4,D6的開關(guān)損耗。對此工況的DPT方法與A時段工況方法是對稱的，這里不再贅述，負載電感連接于直流母線中點與交流出線端間，測試對象為T4與D6。

圖7 T4與D6換流及DPT方法

D時段

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

圖13所示為應用英飛凌F3L400R10W3S7 EasyPACK? 3B三電平模塊產(chǎn)品的雙脈沖實測波形?？梢钥吹皆陉P(guān)斷同樣電流時，長換流回路中內(nèi)管關(guān)斷時的電壓尖峰明顯更大，因此就需要在設(shè)計應用過程中通過DPT評估惡劣工況下內(nèi)管的電壓應力，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)動參數(shù)以改善內(nèi)管的電壓應力，避免器件過壓失效。

圖13 F3L400R10W3S7雙脈沖實測波形

同時通過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中被測器件第二次開通時觀測電壓平臺的跌落與對應電流的變化率以求得，短換流回路雜感約為30nH,長換流回路雜感約為60nH。

對于更大功率的系統(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，主要采用下圖所示方案，短換流工況時只涉及一個半橋模塊，長換流回路則會涉及所有三個功率模塊，因此在功率模組設(shè)計中，母排的設(shè)計需要格外優(yōu)化盡可能減小長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電路里的雙脈沖實測波形，在室溫及額定電流條件下，為了降低長換流回路IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，使用了更大的門級關(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雙脈沖實測波形

3. I-NPC三電平電路的短路測試

對于I-NPC三電平橋臂的短路測試，通過模擬短路點位置與實際驅(qū)動時序（內(nèi)管先開后關(guān)），給出以下幾種推薦的測試工況：

• AC點與DC+短接，模擬T3開通時短路，短路電流流過T3,D6；

• AC點與DC-短接，模擬T2開通時短路，短路電流流過D5,T2；

• AC點與直流中點短接，模擬T1或T4開通時短路，短路電流流過T1,T2或T3,T4；

• 直流中點與上橋鉗位點短接，模擬T1開通時短路，短路電流流過T1；

• 直流中點與下橋鉗位點短接，模擬T4開通時短路，短路電流流過T4；

• AC點與上橋或下橋鉗位點短接，模擬外管開通時短路，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)動方式可以模擬實際工況進行對應的雙脈沖測試，同時也給出了一些I-NPC電路DPT的實測波形，需要格外注意長換流回路雜散電感的優(yōu)化設(shè)計，最后列出了一些I-NPC電路短路工況供大家在測試中參考。下一期，我們會繼續(xù)分析T-NPC電路的雙脈沖測試與短路測試評估。

（作者：魏作宇，來源：英飛凌工業(yè)半導體）