【導讀】雙脈沖測試(DPT)是一種被廣泛接受的評估功率器件動(dòng)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(guò)調節直流母線(xiàn)電壓和第一個(gè)脈沖持續時(shí)間，可以在第一個(gè)脈沖結束和第二個(gè)脈沖開(kāi)始時(shí)捕捉到被測器件在任何所需的電壓和電流條件下的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)行為。DPT結果量化了功率器件的開(kāi)關(guān)性能，并為功率變換器的設計（如開(kāi)關(guān)頻率和死區時(shí)間的確定、熱管理和效率評估）提供了參考依據，那么對于三電平電路，雙脈沖測試需要怎么做呢？
雙脈沖測試(DPT)是一種被廣泛接受的評估功率器件動(dòng)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(guò)調節直流母線(xiàn)電壓和第一個(gè)脈沖持續時(shí)間，可以在第一個(gè)脈沖結束和第二個(gè)脈沖開(kāi)始時(shí)捕捉到被測器件在任何所需的電壓和電流條件下的開(kāi)關(guān)瞬態(tài)行為。DPT結果量化了功率器件的開(kāi)關(guān)性能，并為功率變換器的設計（如開(kāi)關(guān)頻率和死區時(shí)間的確定、熱管理和效率評估）提供了參考依據，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為零時(shí)一個(gè)工頻周期內輸出電壓及電流的波形，二者相位差為90度，一個(gè)周期可分為ABCD段，包含I-NPC電路工作的四種換流方式。
A時(shí)段
A時(shí)段（V>0,I>0）為逆變工況，電壓、電流方向均為正（規定電流流出橋臂為正），NPC橋臂中點(diǎn)輸出電平在+Vdc和0以開(kāi)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(xiàn)所示。此時(shí)段內存在T1,T2,D5的導通損耗以及T1,D5的開(kāi)關(guān)損耗。
對此種工況進(jìn)行DPT，可將負載電感連接于直流母線(xiàn)中點(diǎn)與交流出線(xiàn)端間，T3、T4保持關(guān)斷，T2保持導通，T1施加雙脈沖，第一個(gè)脈沖到來(lái)后，電流流經(jīng)T1、T2、負載電感，電流線(xiàn)性上升，第一個(gè)脈沖結束后，T1關(guān)斷，電感電流通過(guò)D5、T2續流，T1第二個(gè)脈沖到來(lái)后，電流繼續流經(jīng)T1、T2、負載電感，D5被強迫關(guān)斷，該工況下測試對象為T(mén)1與D5。
圖5 T1與D5換流及DPT方法
B時(shí)段
B時(shí)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(kāi)通，T3與D1換流，也就是所謂的大換流回路如圖6虛線(xiàn)所示。此時(shí)段內存在T3,D6,D1,D2的導通損耗以及T3,D1的開(kāi)關(guān)損耗。
對此種工況進(jìn)行DPT，可將負載電感連接于直流母線(xiàn)正端與交流出線(xiàn)端間，T1、T4保持關(guān)斷，T2保持導通，T3施加雙脈沖，第一個(gè)脈沖到來(lái)后，電流流經(jīng)負載電感、T3、D6，電流線(xiàn)性上升，第一個(gè)脈沖結束后，T3關(guān)斷，電感電流通過(guò)T1、T2的反并聯(lián)二極管D1、D2續流，T3第二個(gè)脈沖到來(lái)后，電流繼續流經(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T(mén)3與D1。
圖6 T3與D1換流及DPT方法
C時(shí)段
C時(shí)段（V<0,I<0）與A時(shí)段工況對稱(chēng)，為逆變工況，T3保持開(kāi)通，T4與D6換流，換流回路為小回路，此時(shí)段內存在T3,T4,D6的導通損耗以及T4,D6的開(kāi)關(guān)損耗。對此工況的DPT方法與A時(shí)段工況方法是對稱(chēng)的，這里不再贅述，負載電感連接于直流母線(xiàn)中點(diǎn)與交流出線(xiàn)端間，測試對象為T(mén)4與D6。
圖7 T4與D6換流及DPT方法
D時(shí)段
D時(shí)段（V<0,I>0）與B時(shí)段工況對稱(chēng)，為整流工況，T3保持開(kāi)通，T2與D4換流，換流回路為大回路。此時(shí)段內存在D5,T2,D3,D4的導通損耗以及T2,D4的開(kāi)關(guān)損耗。對此工況的DPT方法與B時(shí)段工況方法是對稱(chēng)的，負載電感連接于直流母線(xiàn)負端與交流出線(xiàn)端間，測試對象為T(mén)2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(shí)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(shí)測波形?？梢钥吹皆陉P(guān)斷同樣電流時(shí)，長(cháng)換流回路中內管關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰明顯更大，因此就需要在設計應用過(guò)程中通過(guò)DPT評估惡劣工況下內管的電壓應力，優(yōu)化外圍直流母線(xiàn)及功率走線(xiàn)雜散電感或是調整外圍驅動(dòng)參數以改善內管的電壓應力，避免器件過(guò)壓失效。
圖13 F3L400R10W3S7雙脈沖實(shí)測波形
同時(shí)通過(guò)DPT也可量化兩種換流回路雜散電感的大小，如圖13虛線(xiàn)框所示，可以在DPT中被測器件第二次開(kāi)通時(shí)觀(guān)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(cháng)換流回路雜感約為60nH。
對于更大功率的系統，通常采用半橋模塊來(lái)拼搭三電平電路，在構成I-NPC三電平電路時(shí)，主要采用下圖所示方案，短換流工況時(shí)只涉及一個(gè)半橋模塊，長(cháng)換流回路則會(huì )涉及所有三個(gè)功率模塊，因此在功率模組設計中，母排的設計需要格外優(yōu)化盡可能減小長(cháng)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(shí)測波形，在室溫及額定電流條件下，為了降低長(cháng)換流回路IGBT的關(guān)斷電壓尖峰，使用了更大的門(mén)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+半橋模塊構建I-NPC三電平電路示意
圖15 FF1800R12IE5雙脈沖實(shí)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(guò)模擬短路點(diǎn)位置與實(shí)際驅動(dòng)時(shí)序（內管先開(kāi)后關(guān)），給出以下幾種推薦的測試工況：
AC點(diǎn)與DC+短接，模擬T3開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)T3,D6；
AC點(diǎn)與DC-短接，模擬T2開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)D5,T2；
AC點(diǎn)與直流中點(diǎn)短接，模擬T1或T4開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)T1,T2或T3,T4；
直流中點(diǎn)與上橋鉗位點(diǎn)短接，模擬T1開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)T1；
直流中點(diǎn)與下橋鉗位點(diǎn)短接，模擬T4開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)T4；
AC點(diǎn)與上橋或下橋鉗位點(diǎn)短接，模擬外管開(kāi)通時(shí)短路，短路電流流過(guò)T1,T2,D6或D5,T3,T4。
圖16 I-NPC三電平橋臂短路測試工況
總結
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(guò)調整電感位置及功率器件的驅動(dòng)方式可以模擬實(shí)際工況進(jìn)行對應的雙脈沖測試，同時(shí)也給出了一些I-NPC電路DPT的實(shí)測波形，需要格外注意長(cháng)換流回路雜散電感的優(yōu)化設計，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(huì )繼續分析T-NPC電路的雙脈沖測試與短路測試評估。
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