使用SCALE-2 IGBT驅(qū)動器控制多電平拓?fù)涞姆椒?/h1>

介紹

本應(yīng)用指南描述SCALE™-2 IGBT驅(qū)動器控制多電平變換器在發(fā)生故障時(shí)的處理方法。多電平變換器使用串聯(lián)IGBT，進(jìn)而升高變換器輸出電壓及電流的幅值，并降低其總諧波失真率。多電平變換器的基礎(chǔ)拓?fù)湟�求使用特定的開通和關(guān)斷時(shí)序，以確保IGBT的集電極-發(fā)射極電壓不會超出安全范圍。通常，半橋的外管IGBT應(yīng)始終先關(guān)斷（圖1中的S1和S4）。如果出現(xiàn)故障，需要執(zhí)行常規(guī)的關(guān)斷時(shí)序（先關(guān)外管，后關(guān)內(nèi)管），或用另外的關(guān)斷時(shí)序并結(jié)合其他方法，以限制IGBT的集電極-發(fā)射極電壓和關(guān)斷能量。

使用SCALE-2驅(qū)動器的推薦方法

使用帶高級有源鉗位(AAC)的SCALE-2驅(qū)動器時(shí)，在檢測到IGBT有故障的情況下（如短路），不需要使用特定的關(guān)斷時(shí)序。只要IGBT驅(qū)動器檢測到故障狀況，它就會立即（或有相應(yīng)的延遲/1/）關(guān)斷相應(yīng)的IGBT模塊（不管該IGBT模塊在變換器拓?fù)渲刑幱诤畏N位置），并且故障信號會在短時(shí)間/1/內(nèi)傳送到用戶接口。如果隨后采用錯(cuò)誤的關(guān)斷時(shí)序，AAC即可安全地限定相應(yīng)IGBT的最大Vce電壓。當(dāng)檢測到驅(qū)動器故障時(shí)，主控制器只需要對所有IGBT施加統(tǒng)一的關(guān)斷脈沖，即可避免IGBT和驅(qū)動器出現(xiàn)熱過載。下面的一些測試，足以證實(shí)高級有源鉗位技術(shù)的有效性。

已完成的測試

下面的研究采用F3L200R07PE4 650V/200A三電平NPC1 IGBT模塊和2SC0108T2D0-07 SCALE-2驅(qū)動器（拓?fù)淙鐖D1所示）。請參考/2/以了解詳細(xì)信息。TVS的擊穿電壓的典型值設(shè)為479V (1mA/25°C)，以支持870V的最大直流母線電壓Vdc（每個(gè)半直流母線電壓均設(shè)為相同值以便于測量）。將考慮兩種不同的短路情況。

圖 1 三電平NPC拓?fù)?/div>

橋臂中點(diǎn)(MP)與中性點(diǎn)(0)之間的短路

在圖1的拓?fù)渲�，在橋臂中點(diǎn)MP與中性點(diǎn)0之間設(shè)置一短路路徑。圖2的測量中所采用的最大直流母線電壓Vdc為870V。

最初，所有的開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)(a)。然后導(dǎo)通IGBT S3 (b)，則半直流母線電壓435V會施加于IGBT S4 (Vce4)，此時(shí)無短路電流流過。當(dāng)S4導(dǎo)通時(shí)(c)，短路電流Ic4流經(jīng)S3和S4，一直增大，直到IGBT S3先退飽和，稍后是S4退飽和。特定的關(guān)斷時(shí)序?qū)⒁�求先關(guān)斷S4，再關(guān)斷S3。但在這里S3會先關(guān)斷(d)。如果不采取保護(hù)措施，短路電流會換流到圖1中的D1和D2，從而導(dǎo)致約870V的全直流母線電壓施加到S3 (Vce3)，而這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了IGBT最大耐壓能力。圖2清楚表明，在關(guān)斷S3的整個(gè)關(guān)斷過程中(d)，電壓Vce3被鉗在最大值500V。當(dāng)短路電流完全關(guān)斷時(shí)，半直流母線電壓435V施加到IGBT S3 (e)。

圖 2 在MP與0之間出現(xiàn)短路時(shí)的“錯(cuò)誤”關(guān)斷時(shí)序

橋臂中點(diǎn)(MP)與直流母線正端(P)之間的短路

在圖1的拓?fù)渲校�在橋臂中點(diǎn)MP與直流母線正端(P)之間設(shè)置短路路徑。圖3的測量中所采用的直流母線電壓Vdc為550V。最初，所有的開關(guān)都處于關(guān)斷狀態(tài)(a)。然后導(dǎo)通IGBT S3 (b)。短路電流IL開始從P流到MP、S3和D6。一半的直流母線電壓Vdc被施加到IGBT S4 (Vce4)。在約1μs后，S4導(dǎo)通(c)。短路電流快速從D6換流到S4（Ic4增大）。當(dāng)IGBTS3退飽和時(shí)，它的電流會大幅減小（圖3中未顯示），從而產(chǎn)生Vce3電壓尖峰。因?yàn)槎搪冯娏鱅L為電感性（短路路徑存在最小電感），其將保持相對穩(wěn)定，在整個(gè)(d)、(e)和(f)階段，流經(jīng)二極管D1和D2的電流在數(shù)值上等于IL–Ic4，也即IL-Ic4正通過D1和D2續(xù)流。因此，全直流母線電壓Vdc被施加到MP與N之間。在此期間，AAC可將電壓Vce3安全地鉗在500V左右（Vce3會在S3退飽和后立即升高，但不會超過IGBT RBSOA）。直流母線電壓Vdc與Vce3之間的差值（約等于550V-500V=50V）施加到MP、S3、S4和N之間的雜散電感上，因?yàn)镾4仍處于飽和狀態(tài)，這會導(dǎo)致Ic4進(jìn)一步增大，但增大速率較低(d)。

當(dāng)S4退飽和時(shí)(e)，電流Ic4停止增大。特定的關(guān)斷時(shí)序會要求先關(guān)斷S4。但在這里S3會先關(guān)斷(f)。這種影響幾乎察覺不到，如圖3所示。原因非常簡單：AAC已經(jīng)限定Vce3電壓，它無法進(jìn)一步升高。驅(qū)動器會嘗試降低S3的門極-發(fā)射極電壓，但AAC功能阻止了這一行為。然后，關(guān)斷IGBT S4 (g)，Ic4迅速降至零。對應(yīng)的Vce4電壓由S4的AAC進(jìn)行安全限定。初始短路電流IL然后會完全通過D1和D2續(xù)流，并逐漸減小為零，部分波形如圖3所示(g)。

圖 3 在MP與P之間出現(xiàn)短路時(shí)的“錯(cuò)誤”關(guān)斷時(shí)序

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