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(chǎn)品，該產(chǎn)品基于最新的IGBT7芯片技術(shù)，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(guò)不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電壓等級(jí)組合，有望成為下一代最佳性價(jià)比的MW級(jí)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(dāng)前光伏/儲(chǔ)能/風(fēng)電等應(yīng)用中，單機(jī)功率需求越來(lái)越大；同時(shí)基于整機(jī)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(shí)，在IGBT模塊開(kāi)發(fā)時(shí)卻常常面臨一個(gè)棘手問(wèn)題，如何通過(guò)最小化的產(chǎn)品型號(hào)滿足不同電壓等級(jí)和功率等級(jí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)模塊單元，內(nèi)管為共集電極對(duì)管模塊，外管為半橋結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)模塊。選用不同電壓的外管即可覆蓋大多數(shù)的應(yīng)用需求，且保持封裝結(jié)構(gòu)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(yīng)用采用T型三電平的優(yōu)勢(shì)

1.導(dǎo)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(gè)“knee voltage”，因此兩個(gè)低壓芯片的串聯(lián)阻抗要大于單個(gè)高壓芯片。從而T型三電平（NPC2）的導(dǎo)通損耗較I型三電平（NPC1）低，尤其在在1.5kHz~4kHz開(kāi)關(guān)頻率下，整體效率優(yōu)勢(shì)明顯。

2.單一換流回路，方便調(diào)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(zhǎng)換流路徑雜感較大，對(duì)IGBT關(guān)斷和二極管反向恢復(fù)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(shè)計(jì)，改善開(kāi)關(guān)波形，擴(kuò)大安全工作區(qū)。

3.簡(jiǎn)化開(kāi)關(guān)時(shí)序，及時(shí)故障保護(hù)

二極管鉗位三電平（NPC1）需要嚴(yán)格遵守開(kāi)通時(shí)“先內(nèi)后外”，和關(guān)斷時(shí)（含故障保護(hù)）“先外后內(nèi)”，否則內(nèi)管極易因承受整個(gè)母線電壓而過(guò)壓損壞。T型三電平（NPC2）無(wú)這些顧慮，可以放心開(kāi)關(guān)操作且內(nèi)管也可使用短路保護(hù)功能。

4.省去均壓電阻，簡(jiǎn)化外圍電路

I型三電平（NPC1）在負(fù)載電流續(xù)流階段，存在兩個(gè)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(nèi)外管結(jié)溫的影響。為消除此影響需要在內(nèi)管額外并聯(lián)電阻來(lái)強(qiáng)制分壓，其損耗可高達(dá)10W以上。T型三電平（NPC2）不需要此分壓電阻，可以簡(jiǎn)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?fù)涫芄ぷ髂Ｊ降挠绊?，芯片損耗分布不均而導(dǎo)致芯片整體有效利用率不高。T型三電平（NPC2）多象限運(yùn)行時(shí)換流路徑相對(duì)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(nèi)寄生電阻損耗，并提高載流能力

大功率應(yīng)用中，IGBT器件封裝的內(nèi)阻不可忽略。例如1000A有效值電流，在0.5mΩ的封裝內(nèi)阻上可產(chǎn)生數(shù)百瓦的損耗。此損耗不僅影響整機(jī)效率，也會(huì)導(dǎo)致銅排溫升過(guò)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(nèi)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(lái)源于行業(yè)應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)；若長(zhǎng)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(wèn)題。

Q&A

Q1

多個(gè)模塊拼裝的方式，會(huì)不會(huì)導(dǎo)致整體換流回路過(guò)長(zhǎng)、雜感過(guò)大？

A1：PrimePack是低雜感封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部采用了銅排疊層方式連接各個(gè)DCB，芯片均勻分布。當(dāng)組成T型三電平時(shí)，仍構(gòu)成較小的回路面積，其換流路徑雜散電感可實(shí)現(xiàn)30nH以內(nèi)。需要注意的是：PrimePack組合方式芯片分布均勻，動(dòng)靜態(tài)均流較獨(dú)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(jìn)一步降低換流回路雜感，抑制震蕩和減小尖峰，有利于擴(kuò)充芯片安全工作區(qū)（在更高的直流電壓下開(kāi)關(guān)）。一般有兩種方式，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用來(lái)選擇，如下圖所示（方式1-用來(lái)降低換流雜感，方式2-重點(diǎn)保護(hù)外管過(guò)壓）：

Q3

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

A3：從半導(dǎo)體特性上看，高壓芯片的確要比低壓芯片導(dǎo)通壓降略高。但基于第七代芯片技術(shù)的設(shè)計(jì)對(duì)此進(jìn)行了優(yōu)化，其IGBT/Diode芯片導(dǎo)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(jí)的方案中。

原文標(biāo)題：高效率、高可靠性——大功率T型三電平IGBT方案

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