功率半导体在三电平NPC和TNPC拓扑结构中的控制和保护

1. 三电平拓扑结构

三电平拓扑结构具有高效率和低谐波失真的特点，被广泛应用在UPS和太阳能等领域。最常见的三电平拓扑结构有NPC和TNPC，如图1所示。两种结构每一相都有4个IGBT，因此每一相需要四个驱动核。

图1：三电平TNPC（左）和NPC（右）拓扑

IGBT T1/T4被叫做外管；IGBT T2/T3被叫做内管

驱动可以设计为一个驱动核驱动1个IGBT，也可以设计成的一个驱动核驱动2个IGBT。赛米控的SKYPER 42 LJ和SKYPER 12驱动平台特别适合三电平的应用，因为它们对短路检测的响应是可调的。图2显示了双驱动核在NPC拓扑结构中可能的连接方式，这也适用于TNPC拓扑结构，因为这两种拓扑具有相同的脉冲模式。

a.驱动核1驱动T1和T2，驱动核2驱动T3和T4。

b.驱动核1驱动外管T1和T4，驱动核2驱动内管T2和T3。

c.驱动核1驱动T1和T3，驱动2驱动T2和T4。

对于上面的a和b两种方式，一定要能够关闭驱动程序的互锁功能，因为驱动的两个IGBT是可以同时开通的。本文讨论了这两种情况。

在三电平拓扑结构中，T1和T3是不能同时开通的，是互锁的。因此具有延迟互锁功能的半桥驱动核可以用于方式c。这时就不需要控制板来生成死区时间，这同样适用于T2/T4。

图2：NPC两个驱动核的驱动方式

**2. **三电平变频器的切换模式

2.1 NPC拓扑结构

图3：NPC拓扑的正确（左）和错误（右）的切换模式

2.2 TNPC拓扑结构

图4：TNPC拓扑的正确（左）和错误（右）的切换模式

3. IGBT****的峰值电压

3.1 NPC拓扑结构

NPC拓扑结构有两种不同的换流回路，即短换流回路和长换流回路。图5显示了正方向的电流回路，换流回路用绿色矩形表示。有功功率(I out >0和V out >0)发生在短的换流回路中，无功功率(I out >0, V out <0)发生在长换流回路中。长换流回路比短换流回路具有更大的杂散电感，因此开关过程中的峰值电压也更高。为了限制峰值电压，可以通过调整门极电阻或者通过增加有源钳位电路。

门极电阻控制现代IGBT的关断过程中的尖峰电压，只在有限的范围内才有效果。

图5：NPC的短回路和长回路

在有源钳位电路中，多个齐纳二极管串联在集电极和栅极之间，它们的击穿电压VZener即为有源钳位的起始动作电压。在IGBT关断过程中，当VCE上升过程中超过VZener时，钳位二极管导通。导通电流给门极充电，使其再次开通，直到VCE电压降低到VZener电压以下。

图6：有源钳位电路

3.2 TNPC拓扑结构

在TNPC拓扑中，内管IGBT和外管IGBT具有相同的换流电路。横管(T2,T3)的阻断电压通常低于竖管(T1,T4)。

例如：最大直流母线电压=1000V

T1/T4=1200v IGBT/Diode. 裕值电压为1200-1000=200v。

T2/T3=650v IGBT/Diode. 裕值电压为650-500=150v。

在这种情况下，对水平IGBT来说电压限制措施往往是必要的，例如增加有源钳位。

图7：TNPC 拓扑结构

4. 短路场景

下面讨论不同的短路场景。

• 逆变器外部端子之间的短路(图8)。假设逆变器的每相的交流输出端具有电流检测和电抗器。
• 在交流电抗器前端的逆变器内部端子之间的短路(图9)。电流传感器无法测量电流，也不受交流电抗器的限制。例如系统中的绝缘失效或金属部件落入系统中，使得系统发生短路故障。

在这两种情况下，对短路可以进行区分为

• 相与相之间
• 相与母排之间

以下用逆变器的两相来解释说明相与相之间的短路，用一相来解释相与母排之间的短路。本文以NPC为例，但是同样适用于TNPC。

4.1 在逆变器外部的短路

电流传感器处于短路通道上，当达到过流阈值时，按指定的顺序关闭IGBT:首先关断外管IGBT，然后关断内管IGBT。这些IGBT应该在退饱和之前被关断，这就需要快速的电流采集和评估电路。一个有利的方面是电流的上升速度会受到交流电抗器的限制，如果只考虑这种类型的短路，是可以不需要对IGBT进行短路检测的。然而，如果直到IGBT退饱和之后电流还在上升，可能是因为电流检测太慢，那么这种情况必须考虑如4.2中所述的。

IGBT的退饱和电流通常发生在标称电流的3-8倍左右，否则可能导致IGBT的损坏。

图8：逆变器外部的短路

4.2 在逆变器内部的短路

当电流传感器检测不到短路电流时，电流上升直到IGBT退饱和，这时就需要通过驱动的短路保护来检测IGBT的退饱和。如果短路发生在靠近模块的地方,电流上升速度在若干个kA/μs，这时只有当短路时间(t psc )在IGBT规格书中的短路时间的范围内，才是可行的。

如图9所示，在相与相的短路期间，电流总是流经一个外管IGBT。如果只涉及内管IGBT，则不会产生短路电流，因为只有N端电势相连，当短路发生在相与直流母排之间时，就可能只涉及一个内管IGBT。

图9：逆变器内部的短路

短路的另一种情况是由于控制不正确，多个IGBT(如T2、T3和T4)同时开通。在无有源钳位的情况下，如果直流电压高于IGBT的阻断电压，最后开启的IGBT(如T1)将被过电压击穿。

5.短路保护设计

当逆变器外部发生短路时，在每一相中，电流传感器进行过流检测即可，如4.1所述。在接下来的章节中，我们只考虑比较严重的逆变器内部短路。

5.1 相与相的短路保护

由于短路电流总是通过一个外管IGBT，所以对这些外管IGBT进行短路检测就足够了。在发生短路检测时，IGBT会立即通过一个比正常门极电阻高许多倍的软开关电阻关断，这使得IGBT上的电压被限制在允许的范围内。电流从外管IGBT换流到二极管D5或D6时，驱动给出的故障信号被反馈给用户端的控制器，控制器必须在tpsc时间内关断内管IGBT。当用标准Rg关断时，为了保护内管IGBT免受过高的电压的冲击，可能需要一个有源钳位电路。

为了保持这个关断顺序，当外管IGBT被检测到短路时，内管IGBT不能立即关断，只有当来自IGBT的电流已经换流到二极管D5或D6时才能关断。在选择驱动和故障的处理时必须考虑这一点。图10显示了正电流的时序图。

TNPC是类似的。T1检测到短路并进行软关断。电流换流到D3和T2，然后T2在大电流下被硬关断。

图10：在外管上的短路检测时序图

以下应用案例基于赛米控SEMiX5的TNPC和NPC模块。

使用两个SKYPER 12，一个用于T1、T2，另一个用于T3、T4。两个驱动程序都在NPC模式下运行, 当出现故障时，驱动会被软件关断而不是驱动板自己进行关断。

图11：SEMiX5的TNPC和NPC的应用案例原理

5.2 相与相和相与DC之间的短路保护

在相与相、相与母排、相与地都有可能发生短路的情况下，必须对内管和外管都进行短路检测，这样所有的IGBT才能被安全的关断。

如果外管IGBT被检测到短路，则按第5.1节中所述执行关断。

如果内管IGBT检测到短路，这些IGBT不会关断，驱动产生故障信号，如果外管IGBT是开通的，用户端的控制器将先关断它们，当电流从IGBT转换到二极管D5/D6时，内管IGBT再被关断。关断的顺序必须由控制板来控制，并且这个短路关断动作必须在tpsc内完成，外管IGBT用标准Rgoff关断。图13显示了正电流的时序图。

在NPC模块中使用SKYPER 42 LJ驱动可以保证这种关断顺序。在这种模式下，当检测到短路时，IGBT不会被立即关断，而且会传输一个故障信号。由于存储了这个故障信号，IGBT在下一次常规关断脉冲时用软关断电阻进行关断，因此可以防止过电压。

该保护在2并联的SEMiX5 TNPC和NPC的案例中被应用。两个SEMiX5模块并联，输出功率约为250kW，使用两个SKYPER 42 LJ，驱动器可以通过一个Pin脚设置为二电平或三电平模式。由于有足够的电压裕量，NPC应用样品中不需要有源钳位二极管，而TNPC在内管IGBT上提供有源钳位二极管。

这种驱动可以使内管IGBT在NPC模式下运行，外管IGBT在二电平模式下运行。在短路情况下，IGBT通过软关断电阻关断。

图13：在内管上的短路检测时序图

图15: 两并联的驱动板原理

如果所有的IGBT都有短路检测和有源钳位限压，则是最佳的短路保护。在这种情况下，每个IGBT可以在发生短路时立即关断，而不必注意特定的开关序列。当一个IGBT出现故障信号时，就立即关断其他所有IGBT，这样的话也可以使用二电平驱动，该电路的缺点是齐纳二极管数量多，成本高，对驱动PCB的空间要求高。SEMITRANS 10 NPC的样机就应用了这个保护方式，如图16。

图16: SEMITRANS 10 NPC模块的驱动板及原理图

6. 三电平驱动电路的特殊设计

与TNPC相比，NPC的短路检测和短路关断更加困难。TNPC在短路时只有一个IGBT处于电流导通模式，而NPC串联的两个IGBT可以同时导通。当使用同一类型的IGBT时，两个IGBT可能同时退饱和，这种情况是不可取的，因为在不饱和的情况下，IGBT具有高增益(大电流变化与小栅极电压变化)，因此易于振荡，这可能导致破坏。下面介绍防止这种情况的几种方式。

a.只有在逆变器输出端短路的情况下，可以不考虑这种同时退饱和的情况。如4.1所述

b.所有四个IGBT都有有源钳位和短路检测的功能时，如果检测到一个IGBT短路，其他所有IGBT会立即关断。如5.2所述，图16。

c.所有四个IGBT都具有有源钳位，而短路检测只存在于外管IGBT上。参见图17c。此外，内管IGBT具有比外管IGBT更高的栅极电压(例如17V)，这是为了确保外管IGBT总是先退饱和。缺点是在AC端和DC+/-端短路时，外管未参与，内管由于门极电压大，所以短路电流会非常大。然后IGBT必须在规定的短路时间tpsc之前关断，以免热损坏。

d.所有四个IGBT都具有有源钳位，但只有内管IGBT存在短路检测，参见图17d。此时外管IGBT的栅极电压高于内管IGBT(如17V)，这是为了确保内管IGBT总是先退饱和。因此，所有的短路情况都可以检测到。如果检测到短路，IGBT将立即关断，并产生故障信号，然后立即关断外管IGBT。即使内管先关断，但是有源钳位电路能保护IGBT免于过压影响。

有时对内管和外管IGBT执行不同的VCE短路检测级别和盲区时间，以确保关断顺序。在实际中，这一措施通常没有很好的效果，因为组件公差比调整VCE检测等级和盲区时间有更大的影响。

图17：NPC拓扑更高门极电压的短路保护检测

7. 总结

以上对NPC和TNPC两种拓扑结构的峰值电压限制和短路保护的驱动板配置进行了介绍。为了限制峰值电压，两个外管IGBT应在内管IGBT之前关断。

除了对短路保护的考虑之外，由于较低的电压裕量，TNPC和NPC在长换流回路中由于有较高的杂散电感，内管IGBT可能需要通过有源钳位来限制峰值电压。

TNPC拓扑中的短路保护更容易处理，因为只有一个IGBT在通电。NPC拓扑更难处理，因为两个IGBT是串联的，这可能导致两个IGBT同时退饱和。

在退饱和的检测中，只检测外管IGBT上的短路保护，而不检测相到地的短路保护。然而，这种解决方案仍然是有吸引力的，因为元器件数量相对较少，且三电平安全关断顺序是有保证的。在内管IGBT上配置有源钳位可能仍然是必要的。

对于短路保护，对地短路和相与相之间的短路，必须对所有IGBT进行退饱和检测。当不同的门极电压作用于NPC电路的内管和外管IGBT时，只对两个IGBT进行退饱和检测就足够了，因为那样已经定义了退饱和的顺序。

在所有IGBT上使用有源钳位二极管电路，当检测到短路保护时可以立即关闭IGBT。优点是不需要采用关断机制，可以使用标准的两电平的驱动电路,但是系统需要大量的器件，特别是齐纳二极管，降低了系统的可靠性。此外，因为二极管的公差因素，有源钳位电路的设计具有一定的挑战性。

如果可以在IGBT退饱和之前用交流侧的电流传感器检测到短路保护电流，则不需要对IGBT进行退饱和检测。这通常是在这种情况下，电流的上升斜率被交流电抗器限制了。这大大降低了对驱动板设计的要求，缺点是电抗器之前的短路能力弱，例如由于绝缘失效或在制造过程中的组装失误。

针对不同的应用场景，需要由系统设计人员去决定哪个保护等级是能够满足要求的。