高级有源钳位可靠驱动多电平IGBT

利用CONCEPT的SCALE-2 IGBT驱动技术实现高级有源钳位(AAC)功能有助于实现多电平转换器拓扑设计的简单和安全的驱动。在IGBT短路的情况下，所有IGBT不再需要以一个专用序列来关断，来避免过度的lGBT集电极-发射极电压。相反，高级有源钳位功能可限制最大IGBT集电极-发射极电压在一个安全的水平，一检测到故障条件，IGBT就会关断。使用2SC0108T2D0-07(650V/1W/8A)驱动内核进行的分析说明了这种高级功能（图1）。
多电平转换器
中性点钳位(NPC)拓扑结构中的多电平，尤其是三电平转换器（图2右）是许多应用中二电平转换器(图2左)的有趣替代方案，包括太阳能、风能或牵引变流器。在太阳能电池应用中，三电平转换器有助于使用较低电压的IGBT模块，实现相同的输出电压和功率。此外，输出电流和电压的总谐波失真(THD)，以及输出电感器或直流母线电容器等无源元件的尺寸都可以减小，还可以优化系统的整体效率。 然而，通常必须采用特定的换向序列，因为IGBT的设计只可承受关断状态下一半的全直流母线电压。如果没有上述特定的换向序列，全直流母线电压可能被施加到一个开关上，导致它的损坏，除非使用了特定的反制措施。在IGBT短路的情况下这特别有可能发生。CONCEPT公司的高级有源钳位功能——该公司的SCALE-2技术的一个特性——有效地解决了这个问题。 高级有源钳位(AAC)
有源钳位已被广泛使用了许多年，为的是限制在关断事件条件下一个IGBT的集电极-发射极电压。只要集电极-发射极电压超过了一个预定义阈值，IGBT就会部分导通。然后，IGBT保持线性操作，从而减少了集电极电流，以及集电极-发射极过电压的下降速率。
基本有源钳位拓扑结构实现了从IGBT的集电极通过瞬态电压抑制器(TVS)到IGBT栅极的一条唯一的反馈路径（参见图3左）。在CONCEPT的SCALE-2高级有源钳位(AAC)中，还以引脚ACL将反馈提供给了驱动器的二次侧（参见图3右）：由于有源钳位活动，电阻R1右手侧的电压增加，连接到GL的关断MOSFET的驱动器逐渐关断。这减少了关断栅极电阻Rgoff上从IGB T栅极到COM流动的电荷。其结果是减少了IGBT关断过电压△Vce，并减少了TVS损耗。
三电平拓扑结构的AAC有效性
由于强大的Vce,peak电压限制是由AAC提供的，在三电平或多级拓扑结构中，专用关断序列不再需要应用于IGBT短路事件。一旦一个IGBT驱动器检测到一个故障条件（例如IGBT短路），就会立即关断相应的IGBT模块，而与转换器拓扑结构中的位置无关，在大约450ns内故障信号被发送到用户界面。如果应用了不正确的关断序列，AAC安全地限制了相应IGBT的最大Vce电压。主机控制器只需要对所有IGBT施加一个常见的关断脉冲，即可避免IGBT驱动器的热过载。 为了说明这个概念，使用有CONCEPT的2SC0108T2D0-07 SCALE-2驱动器的英飞凌F3L200R07PE4 650V200A三电平NPC1 IGBT模块进行了测量。2SC0108T2D0-07驱动器属于CONCEPT的2SC0108T驱动器系列，相比基本2SC0108T2A0-17包括以下额外功能：
·实现了AAC；
·显著降低的磁场敏感性有助于直接在IGBT模块的顶部安全操作，如图1右所示；
·用于去饱和(desaturation)保护的参考电压被设定为一个9.3V的固定值。
在1mA/25℃下的典型TVS击穿电压设定为479V，有助于实现870V的最大直流母线电压Vdc（所有测量的一半直流母线电压被设定为相同的值。
作为一个例子，一个短路路径被引入图2右侧所示拓扑结构的中间点MP和中性点O之间。图4所示的测量是用最大870V的直流母线电压Vdc执行的。最初，所有开关都处于关断状态(a)。然后IGBT S3开启(b)。一半直流母线电压435V被施加到IGBT S4（Vce4），并没有短路电流流过。当S4处于开启时(c)，通过S3和S4的短路电流Ic4增加，直到IGBT S3去饱和(de-saturate)，此后不久是S4。在S3之前，需要一个专用关断序列来关断IGBT S4。但在我们的例子中，S3首先关断(d)。如果没有保护措施，短路电流将对图2中的二极管D1和D2换向，导致870V左右的全直流母线电压被施加到S3上（Vce3）——大大超过了最大IGBT电压能力。图2清楚地显示了全关断阶段对500V最大值的Vce3电压限制(d)。当短路电流被完全关断时，435V的一半直流母线电压被施加到IGBT S3上(e)。
结论
SCALE2驱动内核，如2SC0108T2D0-07，有助于实现高度紧凑的驱动设计，例子清楚地表明，当施加了一个不正确的关断序列时，SCAL-E2技术的高级有源钳位功能在限制三电平NPC拓扑结构的最大IGBT集电极-发射极电压方面的有效性。因此，不再需要应用专用关断序列，从而简化了多电平转换器的短路管理并且有助于在不作任何修改或增加额外的电路元件前提下，在多级拓扑结构中使用标准二电平IGBT栅极驱动器。一旦检测到IGBT短路，主机控制器只需要在系统中所有IGBT施加一个常见的关断脉冲。AAC可以任何形式，在任何时间提供针对IGBT集电极-发射极电压的被动和高效的保护。