2024年3月21日发(作者：宗政博简)
技术探讨与研究
ＴＥ（ ＨＮＩＱｔｌｆＦ ＲＥＳＥＡＲ ¨
Ｉ Ｉ４０Ｖ ＡＣ中压一 ：＿０ ～ｌｌ ＿＿ ０ｉ ：．，．。 ，一
ＩＩ４０Ｖ ＡＣ Ｍｅｄｉｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＩＧＢＴ Ｄｒｉｖｅ Ｎｅｗ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ
杭州飞仕得科技有限公司洪磊（Ｈｏｎｇ Ｌｅｉ）
摘要：１１４０ＶＡＣ逆变器／变频器广泛应用于轨道交通牵引、地铁馈能、中压变频等行业，近年来随着“更高
功率密度，更低系统成本”的发展需求，￥￣＝１７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＵ”封装模的ＮＰＣ １型三电平方案开始广泛应用
起来。相比较传统的两电平拓扑，ＮＰＣ Ｉ型三电平系统更为复杂，主要存在ＩＧＢＴ Ａｒ］Ｓｂ管关断错误日寸序和内管
关断尖峰过高的问题，给ＩＧＢＴＢｇ￣Ｂ动技术带来巨大的挑战。本文重点阐述ＮＰＣ Ｉ型三电平拓扑上述问题的机
理，并基－Ｔ－Ｆｉ ｒｓｔａｃｋ新一代数字ＩＧＢＴ￣动器，给出了智能的解；央方案：三电平模式、分级关断，大大提高基于
１７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴ 封装模ＮＰＣ Ｊ型三电平中压逆变系统的可靠性。
关键词：逆变器：中压；三电平；驱动
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌ１４０Ｖ ＡＣ ｉｎｖｅ ｒｔｅｒ／ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｉ【ｔ ｒａｎｓｌｔ ｔｒａｃｔｉｏｎ，ｍｅｔ ｒｏ ｅｎｅ ｒｇｙ
ｆｅｅｄｉｎｇ，ｍｅｄｉｕｍ ｖｏＲａｇｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａ ｒｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ”ｈｉｇｈｅ ｒ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ，Ｉｏｗｅ ｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｓｔ”，ｂａｓｅｄ ｏｎ １７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ
ＮＰＣ Ｉ—ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏ ｒ ｐａｃｋａｇｅｄ ｍｏｄｕｌｅｓ ａ ｒｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｃｏｍｐａ ｒｅｄ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａ【ｔｗｏ—ｌｅｖｅＩ ｔｏｐｏｌｏｇｙ．ｔｈｅ ＮＰＣ Ｉ—ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏ ｒｅ ｃｏｍＰｌｉｃａｔｅｄ，
ｍａｉｎＩＶ ｈａｓ ｔｈｅ Ｐ ｒｏｂＩｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｉｎｔｅｒｎａ【ａｎｄ ｅｘｔｅ ｒｎａＩ ｔｕｂｅ ｔｕ ｒｎ—Ｏｆｆ ｅ ｒｒｏ ｒ ｔｌｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｎｅ ｒ
ｔｕｂｅ ｔｕ ｒｎ—Ｏｆｆ ｓｐｉｋｅ ａ ｒｅ ｔｏｏ ｈｉｇｈ，ｗｈｉｃｈ ｂｒｉｎｇｓ ｈｕｇｅ ｃｈａＩｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｄ ｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．．Ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ Ｐ ｒｏｂＩｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ＮＰＣ Ｉ ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ一【ｅｖｅＩ ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ａｎｄ
ｂａｓｅｄ ｏｒｌ Ｆｉ ｒｓｔａｃｋ‘ｓ ｎｅｗ ｇｅｎｅ ｒａｔｉｏｉｑ ｏｆ ｄｉｇｉｔａ【ＩＧＢＴ ｄ ｒｉｖｅ ｒｓ，ｇｉｖｅｓ ａｎ ｉｎｔｅ【ｌｉｇｅｎｔ ｓｏＩｕｔｉｏｎ：ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅｉ
ｍｏｄｅ，ｈｉｅｒａ ｒｃｈｉｃａＩ ｓｈｕｔｄｏｗｎ，ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍＰ ｒｏｖｅｄ ＮＰＣ ｂａｓｅｄ ｏ ｒ］ｉ７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ ｐａｃｋａｇｅ ｍｏｄｅ
Ｒｅｌｉａｂｉｉｉｔｙ ｏｆＴｙｐｅ Ｉ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅ ｒｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ：Ｍｅｄｉｕｍ ｖｏＲａｇｅ；Ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ；Ｄ ｒｉｖｅ
【中图分类号】ＴＭ８６【文献标识码】Ｂ【文章编号】１５６１—０３３０（２０１８）０７—００８４—０４
—————
一
一一Ｊ
中模块Ａ构成外管Ｔ１干ｌ】钳位＿二极管
Ｄ５；Ｂ模块构成内管Ｔ２和Ｔ３：ｃ模
块构成外管Ｔ４和钳位二极管Ｄ６。具
有以Ｆ优势：
·
体积。
ＮＰＣＩ型三电平拓扑方案虽然有
上述优势，但足侄驱动技术层面存在
两大技术难点：
传统轨道交通牵引变流器，地
铁馈能变流器，中压变频器，广泛采
用３３００Ｖ的ＩＨＭ封装模块的两电平
拓扑方案，如图１（ａ）所示，该方
案在技术层面应用已经相当成熟。但
低成本：相比较ＩＨＭ封装模块，
（Ｉ）内外管关断时序问题：任
俐情况下，外管优先于内管关断，
尤其是在短路故障或者欠压故障情
况下。
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ模块价格低廉，可以
大幅降低模块成本；
·
是随着近年来市场不断发展，对体
积，成本要求越来越高，基于１７００Ｖ／
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ ｌ型
高频化：Ｅｃ０ｎｏＤＵＡＬＴＭ适合高
步奂应用，采 ＮＰＣ Ｉ型拓扑进一步提
高等效开关频率；
·
（２）内管关断电压尖峰过高：
由于拓扑结构比传统两电平复杂，内
管存 火换流回路，实际模组设计母
排杂敞电感很人，很容易导致模块过
压损坏。
三电下拓扑方案开始广泛应用起来，
参考示意拓４ｔ－￣，图１（ｂ）所示。
该方案由３个ＥｃｏｎｏＤＵＡＬ 封
体积小：该方案可以简化母排
设计，结构更小，更紧凑；通过提
高开关频率，大幅降低输出滤波器的
装模块构成一相ＮＰＣ Ｉ 桥臂，其
８４ ｒｉｉＥ ｗｏＲＬＤ ＯＦ Ｉ ｖＥＲ Ｉ ＥＲＳ
ＴＨＥ＇ｖＶＯＲＬＤ ＯＦ ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ
《变频器世界》Ｊ ｕ ｌｙ，２０１８
ｐ
Ｄ１
』 Ａ
Ｄ５
＿—— 黪
Ｏ ｌ——＿
ｌ＿
Ｄ６ 置
二二
Ｊｏ
图１（ａ）基于３３（）ＯＶＩＨＭ封装模块的两电平 图１（ｂ）基于Ｉ７００Ｖ １＇；ｃｏｎｏＤＵＡＩ Ｍ封装模 图２ ＮＰＣ Ｉ型三电平拓扑结构
拓引’图
块的ＮＰＣｌ型三电平拓扑
ｌｌ ｝
ｌ＿Ｉ
２．１内外管的关断时序
如 ２所永， ＮＰＣ １ ■电、ｒ拓
扑 构中，≈车｝｛的功率器件‘共仃６个：
４ Ｉ、ＩＧＢＴ（Ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４），２个
二极管（Ｄ５，Ｄ６）。４个ＩＧＢＴ不同的
开关组合，町以纰成 刚换流模态，将
Ｓ１～ｓ４状态分圳刷０和１表／Ｊ ，０表ｌ，Ｊ÷
关断，ｌ表，Ｊ：开通：例时母线 Ｆ电位为
“＋ｌ”，母线负的电位为“一ｌ”，‘
何以卜儿种 合模态（假设电流流向向
内），如衷ｌ所尔。
图３（ａ）ｓ１～ｓ４＝（）０１１时电路图 图３（ｂ）ｓ４＝（１时电路图 图３（Ｃ）ｓ ＝【】时电路图
。 － －０。：一． ：·
从表１中可以看 ，ＮＰＣ Ｉ 电、ｒ仃５种帧念，
Ｓｌ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４ Ｈ进制 输
中包括稳态Ｃ，６，３和过渡态４，２，ｊ Ｉ｝ Ｃ。６，３稳
１ ｌ （） ０ Ｃ ＋１
遵循Ｓｌ和Ｓ３互补，Ｓ２和Ｓ４ ｊ 补 则。为Ｊ 分忻Ｉｌ１ｆ ，
（） ｌ ０ Ｏ ４ 十１
０ １ ｌ ０ ６ ０
我们取模态３，此时的Ｓｌ￣Ｓ４的状念为：００ｌ１， ３（ａ）
Ｏ （Ｊ １ ０ ０
所示，Ｓ３和Ｓ４开通，电流由ＡＣ流Ｊ ｑ 线负，此１１寸ｎ，Ｊ ＡＣ
Ｏ ０ ｌ １ ３ ，ｌ
点电位为“一１”。如果现住…观Ｉ｝ 常停机或行 常过流，
Ｏ 【ｌ ｌ ０ ０
先关内管Ｓ３还足先关外管Ｓ４ ７
Ｏ ｌ ｌ ０ ６ ０
图３（ｂ）给…了先关外箭（Ｓ４＝０），此』 ＩＵ流通过
０ ｌ ０ ０ ４ ＋ｌ
Ｄ６流回至０ ０点，ＡＣ电化为“０”，ｒ｝；天内 ’：（Ｓ３＝０），
ｌ ｌ （） （） Ｃ ＋ｌ
内管Ｓ３两端承受的为ｌ／２Ｖ 、。
”ＩＩＩ１．Ｃｔ，６８ ｆＯＭ ８５
技术探讨与研究
ＴＥＣＨＮｌ０【ｌ’卜ＲＥＳＥＡＲ（、ｔｔ
罔３（Ｃ）给…ｒ允关内管（ｓ３＝０），此后电流迎过
Ｄ１，Ｄ２流回到 线Ｊ ，ＡＣ｝乜何为“＋１”，再关外管（Ｓ４＝０），
内竹ｓ３ 端承受的 ｖ ，，模块会过压损坏。
述分析，ＮＰＣ Ｉ型三电平必须先关外管再关内
符，ｌ尢论足Ｉ ＂ 机Ｉ： ，还足异常工况，如欠压保护，
短路保护等
２．２内管关断尖峰过高
４（ａ）所乐，ＮＰＣ Ｉ型半桥 作在模态６，
Ｓｌ～Ｓ４的Ｊ 父状态：０１ １０，电流由ＡＣ点通过Ｓ３，Ｄ６流
剑“０”点。此时切换剑模态４，日＿ｊ ｓ１～ｓ４的开关状态：
０１ｏ０， ｝Ｕ流会山ＡＣ点通过Ｄ２，Ｄ１流到母线正，
Ｓ３ 断的过 ｔ｝Ｉ，如罔４（ｂ）所示，帑个换流路 过
Ｃ１、Ｄｌ、Ｓ２、ｓ３、Ｄ６器件，形成一个大换流刚路，仃
较人的尔敞ＩＵ感。 基于１７００Ｖ Ｅｃｏｎ０ＤＵＡＬＴＭ封
帧的ＮＰＣ Ｉ ｔ电、ｆ 办案采用３个ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装
模卡ｊＪｌ成‘十｝＿Ｉ桥忖，模块之问采用叠层铜排连接，实际人
换流ｌ 路 嘤绎过模块以及棚应的连接铜排，进一步增
人杂敞电感，根据系统实测，一般会到ｌ２０ｎｉｌ，远远人
Ｊ 模块推荐的３０ｎｉｌ嘤求，使得父断尖峰异常高，模块｛｝！
埸过Ｊｆｊ火效。
图４（ａ）Ｓ１～ｓ４＝…１０时电路图 图４（ｂ）Ｓ１￣￥４－０１００时电路图
３ ｊ０：至 ｉ Ｅ笔平数字 ∈ 。ｆ驱动嚣
针对ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ 电平应川的
ｆ 述问题，Ｆｉｒｓｔａｃｋ开发了新一代即插即用数字ＩＧＢＴ 动
器：２ＦＳＤ０１ １５＋Ｂｌ７－３Ｌ。该驱动器相对丁传统的两电平｛
要＿ｊＬ仃以卜功能：三电平模式和分级关断。可以有效角犁决
内外什天断错误时序和内管关断尖峰过高的问题。
８６ Ｉ＇１ＩＥ ＷＯＲＩ Ｄ‘）｝ＩＮＶＦＲ １ ＥＲＳ
３．１三电平模式
２ＦＳＤ０１１ ５＋Ｂ１７－３Ｌ具有二电半模式。传统的两电
动模Ｊ ， 动扳１，ｌ 枪测到敝障（短路或者欠Ｊ土），会 Ｉ！『Ｊ
封锁ＰＷＭ信号。 ！电平模式下，驱动板榆测到故障（
路或者久 ）， 小 即封锁ＰＷＭ，而是将敝障信
传剑控制板， 控制板 Ｊ、渊内外管的关断时序，控制扳
卜技天断指令， 动接收到爻断指令再封锁ＰＷＭ。二 ＩＵ
、卜模式敝障保护ｕ１『序１＿孥Ｉ如 ５所示。
兰
厂
ＦＡＵＬＴ Ｓ３
Ｉ
Ｉ
Ｉ
ＩＩ
Ｉｌ
ＩＩ
Ｉｌ
图５三电平模式保护时序图
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ ｉ电、 办案 １Ｉ，
２ＦＳＤ０１１ ５＋Ｂ１ ７－３Ｌ驱动应川内侍模块，可以确保短路或
久 敝障发， ｆ，控制系统能优先关断外管。
３．２分级关断技术
极｝ 『ｊＩｉ对Ｊ ＩＧＢＴ的父断特性的影响是 越火，
父，犬峰也越小，为了解决内管哭断尖峰的问题，比较好心
路就是ＪＪ【】人天断电ｌ５Ｈ。ｆＨ是Ｒ譬增大同时会带米关断延时
增』Ｊ【Ｊ，火 损耗增加，会影Ｉ响剑整机的死区设置以及热
Ｃｆ－－．￣ｑ， Ｉ刊 值的芙断电阻，如
．．． ，
６所示，Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３ ｍ数字驱动
器中的ＭＣＵ捧制 体 什么时刻投入到门极 路。
撼Ｊ 三级的天断过程，叮以实现＿彳丁效抑制电压尖峰的
时，兼顾芙断延时和关断损耗，使得关断特性达到最优
状态。
卜；Ｅ Ｗ０ＲＬＤ ０｜＿ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ
《变频器世界》Ｊｕｌｙ，２０１８
ｐ
●
Ｐ
Ｏ
Ｏ
—ｌ ｒ—Ｄ 警
一
圈１ｌｌ（ Ｉ）不带分级关断的测试波形
Ｄ
一
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４ｕ Ｄ４
Ｌ
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图７基一ｔ－Ｉ ｃ¨『１Ｉ １）ｕＡＩ ＩＭ封装模块
闺８短路测试主回路图
的ＮＩ，（：三电平方案示意图
０ 簦
为Ｊ 验ｉｉｌ １ ４＜１ 勺数 亍： 动技术， 】 ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ
Ｈ 傲块】 ｉ９ ＮＰＣ ｝乜平方案的测 、 台。模块型号
ＦＦ６００Ｒ１７ＭＥ４： 功２ＦＳＤ０１ ｌ５十系 ０ ＬｔｌＪ摘Ｈ Ｊ１ Ｊ驱动 。
儿体构 的爪盥ｌ冬『『』ｌ】 ７所 －７，Ｊ Ｉｔｔ外１ ； 川 Ｉｔｘ 版本
２ＦＳＤＯ１ ｌ５＋Ｂ１ ７， １ 采川 ｉ电 版小２ＦＳＤ０ｌ１５＋Ｂｌ７—３Ｌ
４．１时序管理测试波形
为Ｊ 验ｉｌｌ｜氪 ｝｝【： 下ｎ勺时 竹 ， ｔｔｚ、 办案进
｛Ｊ‘十１｛ｂＦ．１１，＿Ｊ ｌＩ１｝｝洲４ ，１ ｌ『 路 １１降ｌ ８朋 ｔＪ ，ｆ－ Ｓ３ ｆ口Ｓ４的 路
丈 令。 波Ｊ Ｉ警Ｉ ９ ＪＳＪＴ．．Ｊ，
圈９短路测试波形
从测试波肜 Ｊ’以行…，内竹（ｓ３）允榆测到 路，反
馈给 机 ，Ｌ化机 允关￣Ｊｌ、竹（ｓ４）Ｊ 父内管（ｓ３）。
４．２分级关断测试波形
验条件： 川英匕凌ＦＦ６００Ｒ】７ＭＥ４，测 管Ｓ３带
分级父 以及小 ｌｉｔ－分级 惭的电Ｊ 火峰Ｖ ， ，波形如 １０
所，Ｊ÷。
从刈 １：７，７０１０ 来看，行Ｈ 丈验杀什卜， 带分级天惭
的Ｖ¨ ＝１６３０Ｖ，带分级关断的Ｖ
×
１３３０Ｖ，电 尖峰Ｆ
降Ｊ 近２（）％。
闺Ｉ【ｌ（Ｉ ）带分级关断的测试波形
蔓
Ｆｉｌｓｔａｃｋ ｆｉ９ ２ＦＳＤＯＩ １５＋Ｂ１７—３Ｌ 能 Ｉ 动７，ｋ，Ｊ Ｉ仃 Ｉ 、 Ｉ懒
式以及分级天 功能， 以仃效 决址］ Ｅｃ０ＩⅥＤｕＡＬ１Ｍ
装模块的ＮＰＣ 电、 案ＩｔＩ灭断时咔 题＿平ｌＩｉｑ 犬峰
过人的 Ｕ题，人人捉船１１４０７ＡＣ ｉ电、｝ ＩＩ Ｈ｛逆变系统ｌ ｉ９【ＩＪ‘
靠性，Ｊ Ｉ仃 泛ｆｌｇ；、 川ｆＩ玎景。
案 ：针对１ ｌ４０Ｖ ＡＣ … 、 逆 除
Ｊ，本艾介 ｆ ｌ Ｊ插ⅧＪ Ｊ｝ｊ 功Ｊ ：ｌｉ！ｉｌｌ ２ＦＳＤ０ｌ１５＋Ｂ１ ７－３Ｌ，
Ｆｉｒｓｔａｃｋ还 【Ｕ、 ＪＩＪ教 妪础 ２ＦＳＣ０４３５＋Ａ一３Ｌ，
具彳丁ｌＩ１Ｊ』 １’： 以及分级火 的功能， 以仃放 决父断
时序以及 ： 峰的ｎＵ ，Ｊ 』、 川扩 ，Ｊ＿『 ， ，
详情 参芍： 门 ：ｌ 说｝Ｊ１ｊ Ｗ＇Ｗ＇Ｗ．ｉｆｒｓｔａｃｋ．ＣＯＩ１１、
参考文献
ｆ１］湖－轫恒信电气有限公司， Ｐ铁 乜气化勘测设计研究院
电阻一逆变混合型再生制动能量吸收装置挂网试验报告【Ｉｔ
州，重庆，２Ｏ ！～２０Ｉ【１＿８．
［２ｌＦｉ，‘ｓｔａｃｋ ｌ＇ｃｃｈｎｉｃａｌ ｄｏｃｕＩ＇ｎｃｎｔａｔｉ（）ｎ：２１。 Ｉ）【】１】５＋Ｂ１ ．ｐｄｔ］ＺＩ
作者简介
洪磊ｆ１ ９８７一）男硕士产品总监
、、ｗ、 （＾Ｉｔ （ｔ）、Ｉ ８７
2024年3月21日发(作者：宗政博简)
技术探讨与研究
ＴＥ（ ＨＮＩＱｔｌｆＦ ＲＥＳＥＡＲ ¨
Ｉ Ｉ４０Ｖ ＡＣ中压一 ：＿０ ～ｌｌ ＿＿ ０ｉ ：．，．。 ，一
ＩＩ４０Ｖ ＡＣ Ｍｅｄｉｕｍ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｔｈｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＩＧＢＴ Ｄｒｉｖｅ Ｎｅｗ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ
杭州飞仕得科技有限公司洪磊（Ｈｏｎｇ Ｌｅｉ）
摘要：１１４０ＶＡＣ逆变器／变频器广泛应用于轨道交通牵引、地铁馈能、中压变频等行业，近年来随着“更高
功率密度，更低系统成本”的发展需求，￥￣＝１７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＵ”封装模的ＮＰＣ １型三电平方案开始广泛应用
起来。相比较传统的两电平拓扑，ＮＰＣ Ｉ型三电平系统更为复杂，主要存在ＩＧＢＴ Ａｒ］Ｓｂ管关断错误日寸序和内管
关断尖峰过高的问题，给ＩＧＢＴＢｇ￣Ｂ动技术带来巨大的挑战。本文重点阐述ＮＰＣ Ｉ型三电平拓扑上述问题的机
理，并基－Ｔ－Ｆｉ ｒｓｔａｃｋ新一代数字ＩＧＢＴ￣动器，给出了智能的解；央方案：三电平模式、分级关断，大大提高基于
１７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴ 封装模ＮＰＣ Ｊ型三电平中压逆变系统的可靠性。
关键词：逆变器：中压；三电平；驱动
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｌ１４０Ｖ ＡＣ ｉｎｖｅ ｒｔｅｒ／ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｒａｉ【ｔ ｒａｎｓｌｔ ｔｒａｃｔｉｏｎ，ｍｅｔ ｒｏ ｅｎｅ ｒｇｙ
ｆｅｅｄｉｎｇ，ｍｅｄｉｕｍ ｖｏＲａｇｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ．Ｉｎ ｒｅｃｅｎｔ ｙｅａ ｒｓ，ｗｉｔｈ ｔｈｅ
ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ”ｈｉｇｈｅ ｒ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ，Ｉｏｗｅ ｒ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｓｔ”，ｂａｓｅｄ ｏｎ １７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ
ＮＰＣ Ｉ—ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ ｆｏ ｒ ｐａｃｋａｇｅｄ ｍｏｄｕｌｅｓ ａ ｒｅ ｂｅｇｉｎｎｉｎｇ ｔｏ ｂｅ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ．Ｃｏｍｐａ ｒｅｄ
ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａ【ｔｗｏ—ｌｅｖｅＩ ｔｏｐｏｌｏｇｙ．ｔｈｅ ＮＰＣ Ｉ—ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｍｏ ｒｅ ｃｏｍＰｌｉｃａｔｅｄ，
ｍａｉｎＩＶ ｈａｓ ｔｈｅ Ｐ ｒｏｂＩｅｍ ｔｈａｔ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｉｎｔｅｒｎａ【ａｎｄ ｅｘｔｅ ｒｎａＩ ｔｕｂｅ ｔｕ ｒｎ—Ｏｆｆ ｅ ｒｒｏ ｒ ｔｌｍｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｎｅ ｒ
ｔｕｂｅ ｔｕ ｒｎ—Ｏｆｆ ｓｐｉｋｅ ａ ｒｅ ｔｏｏ ｈｉｇｈ，ｗｈｉｃｈ ｂｒｉｎｇｓ ｈｕｇｅ ｃｈａＩｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ＩＧＢＴ ｄ ｒｉｖｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．．Ｔｈｉｓ
ｐａｐｅｒ ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ａｂｏｖｅ Ｐ ｒｏｂＩｅｍｓ ｉｎ ｔｈｅ ＮＰＣ Ｉ ｔｙｐｅ ｔｈ ｒｅｅ一【ｅｖｅＩ ｔｏｐｏｌｏｇｙ，ａｎｄ
ｂａｓｅｄ ｏｒｌ Ｆｉ ｒｓｔａｃｋ‘ｓ ｎｅｗ ｇｅｎｅ ｒａｔｉｏｉｑ ｏｆ ｄｉｇｉｔａ【ＩＧＢＴ ｄ ｒｉｖｅ ｒｓ，ｇｉｖｅｓ ａｎ ｉｎｔｅ【ｌｉｇｅｎｔ ｓｏＩｕｔｉｏｎ：ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅｉ
ｍｏｄｅ，ｈｉｅｒａ ｒｃｈｉｃａＩ ｓｈｕｔｄｏｗｎ，ｇｒｅａｔｌｙ ｉｍＰ ｒｏｖｅｄ ＮＰＣ ｂａｓｅｄ ｏ ｒ］ｉ７００Ｖ ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ ｐａｃｋａｇｅ ｍｏｄｅ
Ｒｅｌｉａｂｉｉｉｔｙ ｏｆＴｙｐｅ Ｉ ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅＩ ｍｅｄｉｕｍ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｖｅ ｒｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｉｎｖｅｒｔｅｒ：Ｍｅｄｉｕｍ ｖｏＲａｇｅ；Ｔｈ ｒｅｅ—ｌｅｖｅｌ；Ｄ ｒｉｖｅ
【中图分类号】ＴＭ８６【文献标识码】Ｂ【文章编号】１５６１—０３３０（２０１８）０７—００８４—０４
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一
一一Ｊ
中模块Ａ构成外管Ｔ１干ｌ】钳位＿二极管
Ｄ５；Ｂ模块构成内管Ｔ２和Ｔ３：ｃ模
块构成外管Ｔ４和钳位二极管Ｄ６。具
有以Ｆ优势：
·
体积。
ＮＰＣＩ型三电平拓扑方案虽然有
上述优势，但足侄驱动技术层面存在
两大技术难点：
传统轨道交通牵引变流器，地
铁馈能变流器，中压变频器，广泛采
用３３００Ｖ的ＩＨＭ封装模块的两电平
拓扑方案，如图１（ａ）所示，该方
案在技术层面应用已经相当成熟。但
低成本：相比较ＩＨＭ封装模块，
（Ｉ）内外管关断时序问题：任
俐情况下，外管优先于内管关断，
尤其是在短路故障或者欠压故障情
况下。
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ模块价格低廉，可以
大幅降低模块成本；
·
是随着近年来市场不断发展，对体
积，成本要求越来越高，基于１７００Ｖ／
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ ｌ型
高频化：Ｅｃ０ｎｏＤＵＡＬＴＭ适合高
步奂应用，采 ＮＰＣ Ｉ型拓扑进一步提
高等效开关频率；
·
（２）内管关断电压尖峰过高：
由于拓扑结构比传统两电平复杂，内
管存 火换流回路，实际模组设计母
排杂敞电感很人，很容易导致模块过
压损坏。
三电下拓扑方案开始广泛应用起来，
参考示意拓４ｔ－￣，图１（ｂ）所示。
该方案由３个ＥｃｏｎｏＤＵＡＬ 封
体积小：该方案可以简化母排
设计，结构更小，更紧凑；通过提
高开关频率，大幅降低输出滤波器的
装模块构成一相ＮＰＣ Ｉ 桥臂，其
８４ ｒｉｉＥ ｗｏＲＬＤ ＯＦ Ｉ ｖＥＲ Ｉ ＥＲＳ
ＴＨＥ＇ｖＶＯＲＬＤ ＯＦ ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ
《变频器世界》Ｊ ｕ ｌｙ，２０１８
ｐ
Ｄ１
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Ｄ５
＿—— 黪
Ｏ ｌ——＿
ｌ＿
Ｄ６ 置
二二
Ｊｏ
图１（ａ）基于３３（）ＯＶＩＨＭ封装模块的两电平 图１（ｂ）基于Ｉ７００Ｖ １＇；ｃｏｎｏＤＵＡＩ Ｍ封装模 图２ ＮＰＣ Ｉ型三电平拓扑结构
拓引’图
块的ＮＰＣｌ型三电平拓扑
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２．１内外管的关断时序
如 ２所永， ＮＰＣ １ ■电、ｒ拓
扑 构中，≈车｝｛的功率器件‘共仃６个：
４ Ｉ、ＩＧＢＴ（Ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ４），２个
二极管（Ｄ５，Ｄ６）。４个ＩＧＢＴ不同的
开关组合，町以纰成 刚换流模态，将
Ｓ１～ｓ４状态分圳刷０和１表／Ｊ ，０表ｌ，Ｊ÷
关断，ｌ表，Ｊ：开通：例时母线 Ｆ电位为
“＋ｌ”，母线负的电位为“一ｌ”，‘
何以卜儿种 合模态（假设电流流向向
内），如衷ｌ所尔。
图３（ａ）ｓ１～ｓ４＝（）０１１时电路图 图３（ｂ）ｓ４＝（１时电路图 图３（Ｃ）ｓ ＝【】时电路图
。 － －０。：一． ：·
从表１中可以看 ，ＮＰＣ Ｉ 电、ｒ仃５种帧念，
Ｓｌ Ｓ２ Ｓ３ Ｓ４ Ｈ进制 输
中包括稳态Ｃ，６，３和过渡态４，２，ｊ Ｉ｝ Ｃ。６，３稳
１ ｌ （） ０ Ｃ ＋１
遵循Ｓｌ和Ｓ３互补，Ｓ２和Ｓ４ ｊ 补 则。为Ｊ 分忻Ｉｌ１ｆ ，
（） ｌ ０ Ｏ ４ 十１
０ １ ｌ ０ ６ ０
我们取模态３，此时的Ｓｌ￣Ｓ４的状念为：００ｌ１， ３（ａ）
Ｏ （Ｊ １ ０ ０
所示，Ｓ３和Ｓ４开通，电流由ＡＣ流Ｊ ｑ 线负，此１１寸ｎ，Ｊ ＡＣ
Ｏ ０ ｌ １ ３ ，ｌ
点电位为“一１”。如果现住…观Ｉ｝ 常停机或行 常过流，
Ｏ 【ｌ ｌ ０ ０
先关内管Ｓ３还足先关外管Ｓ４ ７
Ｏ ｌ ｌ ０ ６ ０
图３（ｂ）给…了先关外箭（Ｓ４＝０），此』 ＩＵ流通过
０ ｌ ０ ０ ４ ＋ｌ
Ｄ６流回至０ ０点，ＡＣ电化为“０”，ｒ｝；天内 ’：（Ｓ３＝０），
ｌ ｌ （） （） Ｃ ＋ｌ
内管Ｓ３两端承受的为ｌ／２Ｖ 、。
”ＩＩＩ１．Ｃｔ，６８ ｆＯＭ ８５
技术探讨与研究
ＴＥＣＨＮｌ０【ｌ’卜ＲＥＳＥＡＲ（、ｔｔ
罔３（Ｃ）给…ｒ允关内管（ｓ３＝０），此后电流迎过
Ｄ１，Ｄ２流回到 线Ｊ ，ＡＣ｝乜何为“＋１”，再关外管（Ｓ４＝０），
内竹ｓ３ 端承受的 ｖ ，，模块会过压损坏。
述分析，ＮＰＣ Ｉ型三电平必须先关外管再关内
符，ｌ尢论足Ｉ ＂ 机Ｉ： ，还足异常工况，如欠压保护，
短路保护等
２．２内管关断尖峰过高
４（ａ）所乐，ＮＰＣ Ｉ型半桥 作在模态６，
Ｓｌ～Ｓ４的Ｊ 父状态：０１ １０，电流由ＡＣ点通过Ｓ３，Ｄ６流
剑“０”点。此时切换剑模态４，日＿ｊ ｓ１～ｓ４的开关状态：
０１ｏ０， ｝Ｕ流会山ＡＣ点通过Ｄ２，Ｄ１流到母线正，
Ｓ３ 断的过 ｔ｝Ｉ，如罔４（ｂ）所示，帑个换流路 过
Ｃ１、Ｄｌ、Ｓ２、ｓ３、Ｄ６器件，形成一个大换流刚路，仃
较人的尔敞ＩＵ感。 基于１７００Ｖ Ｅｃｏｎ０ＤＵＡＬＴＭ封
帧的ＮＰＣ Ｉ ｔ电、ｆ 办案采用３个ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装
模卡ｊＪｌ成‘十｝＿Ｉ桥忖，模块之问采用叠层铜排连接，实际人
换流ｌ 路 嘤绎过模块以及棚应的连接铜排，进一步增
人杂敞电感，根据系统实测，一般会到ｌ２０ｎｉｌ，远远人
Ｊ 模块推荐的３０ｎｉｌ嘤求，使得父断尖峰异常高，模块｛｝！
埸过Ｊｆｊ火效。
图４（ａ）Ｓ１～ｓ４＝…１０时电路图 图４（ｂ）Ｓ１￣￥４－０１００时电路图
３ ｊ０：至 ｉ Ｅ笔平数字 ∈ 。ｆ驱动嚣
针对ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ 电平应川的
ｆ 述问题，Ｆｉｒｓｔａｃｋ开发了新一代即插即用数字ＩＧＢＴ 动
器：２ＦＳＤ０１ １５＋Ｂｌ７－３Ｌ。该驱动器相对丁传统的两电平｛
要＿ｊＬ仃以卜功能：三电平模式和分级关断。可以有效角犁决
内外什天断错误时序和内管关断尖峰过高的问题。
８６ Ｉ＇１ＩＥ ＷＯＲＩ Ｄ‘）｝ＩＮＶＦＲ １ ＥＲＳ
３．１三电平模式
２ＦＳＤ０１１ ５＋Ｂ１７－３Ｌ具有二电半模式。传统的两电
动模Ｊ ， 动扳１，ｌ 枪测到敝障（短路或者欠Ｊ土），会 Ｉ！『Ｊ
封锁ＰＷＭ信号。 ！电平模式下，驱动板榆测到故障（
路或者久 ）， 小 即封锁ＰＷＭ，而是将敝障信
传剑控制板， 控制板 Ｊ、渊内外管的关断时序，控制扳
卜技天断指令， 动接收到爻断指令再封锁ＰＷＭ。二 ＩＵ
、卜模式敝障保护ｕ１『序１＿孥Ｉ如 ５所示。
兰
厂
ＦＡＵＬＴ Ｓ３
Ｉ
Ｉ
Ｉ
ＩＩ
Ｉｌ
ＩＩ
Ｉｌ
图５三电平模式保护时序图
ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ封装模块的ＮＰＣ ｉ电、 办案 １Ｉ，
２ＦＳＤ０１１ ５＋Ｂ１ ７－３Ｌ驱动应川内侍模块，可以确保短路或
久 敝障发， ｆ，控制系统能优先关断外管。
３．２分级关断技术
极｝ 『ｊＩｉ对Ｊ ＩＧＢＴ的父断特性的影响是 越火，
父，犬峰也越小，为了解决内管哭断尖峰的问题，比较好心
路就是ＪＪ【】人天断电ｌ５Ｈ。ｆＨ是Ｒ譬增大同时会带米关断延时
增』Ｊ【Ｊ，火 损耗增加，会影Ｉ响剑整机的死区设置以及热
Ｃｆ－－．￣ｑ， Ｉ刊 值的芙断电阻，如
．．． ，
６所示，Ｒｌ，Ｒ２，Ｒ３ ｍ数字驱动
器中的ＭＣＵ捧制 体 什么时刻投入到门极 路。
撼Ｊ 三级的天断过程，叮以实现＿彳丁效抑制电压尖峰的
时，兼顾芙断延时和关断损耗，使得关断特性达到最优
状态。
卜；Ｅ Ｗ０ＲＬＤ ０｜＿ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ
《变频器世界》Ｊｕｌｙ，２０１８
ｐ
●
Ｐ
Ｏ
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—ｌ ｒ—Ｄ 警
一
圈１ｌｌ（ Ｉ）不带分级关断的测试波形
Ｄ
一
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＝ ＝
４ｕ Ｄ４
Ｌ
Ｎ
Ｎ
图７基一ｔ－Ｉ ｃ¨『１Ｉ １）ｕＡＩ ＩＭ封装模块
闺８短路测试主回路图
的ＮＩ，（：三电平方案示意图
０ 簦
为Ｊ 验ｉｉｌ １ ４＜１ 勺数 亍： 动技术， 】 ＥｃｏｎｏＤＵＡＬＴＭ
Ｈ 傲块】 ｉ９ ＮＰＣ ｝乜平方案的测 、 台。模块型号
ＦＦ６００Ｒ１７ＭＥ４： 功２ＦＳＤ０１ ｌ５十系 ０ ＬｔｌＪ摘Ｈ Ｊ１ Ｊ驱动 。
儿体构 的爪盥ｌ冬『『』ｌ】 ７所 －７，Ｊ Ｉｔｔ外１ ； 川 Ｉｔｘ 版本
２ＦＳＤＯ１ ｌ５＋Ｂ１ ７， １ 采川 ｉ电 版小２ＦＳＤ０ｌ１５＋Ｂｌ７—３Ｌ
４．１时序管理测试波形
为Ｊ 验ｉｌｌ｜氪 ｝｝【： 下ｎ勺时 竹 ， ｔｔｚ、 办案进
｛Ｊ‘十１｛ｂＦ．１１，＿Ｊ ｌＩ１｝｝洲４ ，１ ｌ『 路 １１降ｌ ８朋 ｔＪ ，ｆ－ Ｓ３ ｆ口Ｓ４的 路
丈 令。 波Ｊ Ｉ警Ｉ ９ ＪＳＪＴ．．Ｊ，
圈９短路测试波形
从测试波肜 Ｊ’以行…，内竹（ｓ３）允榆测到 路，反
馈给 机 ，Ｌ化机 允关￣Ｊｌ、竹（ｓ４）Ｊ 父内管（ｓ３）。
４．２分级关断测试波形
验条件： 川英匕凌ＦＦ６００Ｒ】７ＭＥ４，测 管Ｓ３带
分级父 以及小 ｌｉｔ－分级 惭的电Ｊ 火峰Ｖ ， ，波形如 １０
所，Ｊ÷。
从刈 １：７，７０１０ 来看，行Ｈ 丈验杀什卜， 带分级天惭
的Ｖ¨ ＝１６３０Ｖ，带分级关断的Ｖ
×
１３３０Ｖ，电 尖峰Ｆ
降Ｊ 近２（）％。
闺Ｉ【ｌ（Ｉ ）带分级关断的测试波形
蔓
Ｆｉｌｓｔａｃｋ ｆｉ９ ２ＦＳＤＯＩ １５＋Ｂ１７—３Ｌ 能 Ｉ 动７，ｋ，Ｊ Ｉ仃 Ｉ 、 Ｉ懒
式以及分级天 功能， 以仃效 决址］ Ｅｃ０ＩⅥＤｕＡＬ１Ｍ
装模块的ＮＰＣ 电、 案ＩｔＩ灭断时咔 题＿平ｌＩｉｑ 犬峰
过人的 Ｕ题，人人捉船１１４０７ＡＣ ｉ电、｝ ＩＩ Ｈ｛逆变系统ｌ ｉ９【ＩＪ‘
靠性，Ｊ Ｉ仃 泛ｆｌｇ；、 川ｆＩ玎景。
案 ：针对１ ｌ４０Ｖ ＡＣ … 、 逆 除
Ｊ，本艾介 ｆ ｌ Ｊ插ⅧＪ Ｊ｝ｊ 功Ｊ ：ｌｉ！ｉｌｌ ２ＦＳＤ０ｌ１５＋Ｂ１ ７－３Ｌ，
Ｆｉｒｓｔａｃｋ还 【Ｕ、 ＪＩＪ教 妪础 ２ＦＳＣ０４３５＋Ａ一３Ｌ，
具彳丁ｌＩ１Ｊ』 １’： 以及分级火 的功能， 以仃放 决父断
时序以及 ： 峰的ｎＵ ，Ｊ 』、 川扩 ，Ｊ＿『 ， ，
详情 参芍： 门 ：ｌ 说｝Ｊ１ｊ Ｗ＇Ｗ＇Ｗ．ｉｆｒｓｔａｃｋ．ＣＯＩ１１、
参考文献
ｆ１］湖－轫恒信电气有限公司， Ｐ铁 乜气化勘测设计研究院
电阻一逆变混合型再生制动能量吸收装置挂网试验报告【Ｉｔ
州，重庆，２Ｏ ！～２０Ｉ【１＿８．
［２ｌＦｉ，‘ｓｔａｃｋ ｌ＇ｃｃｈｎｉｃａｌ ｄｏｃｕＩ＇ｎｃｎｔａｔｉ（）ｎ：２１。 Ｉ）【】１】５＋Ｂ１ ．ｐｄｔ］ＺＩ
作者简介
洪磊ｆ１ ９８７一）男硕士产品总监
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