雙脈衝測試（DPT）是一種被廣泛接受的評估功率器件動態特性的方法。 以IGBT在兩電平橋式電路中應用為例，如下圖，通過調節直流母線電壓和第一個脈衝持續時間，可以在第一個脈衝結束和第二個脈衝開始時捕捉到被測器件在任何所需的電壓和電流條件下的開關瞬態行為。 DPT結果量化了功率器件的開關性能，並為功率變換器的設計（如開關頻率和死區時間的確定、熱管理和效率評估）提供了參考依據，那麼對於三電平電路，雙脈衝測試需要怎麼做呢？  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衝測試方法 首先我們從三電平橋臂的工作模態看起，以I型NPC（Neutral Point Clamped）三電平電路為例：
圖4 I-NPC三電平橋臂輸出電壓電流波形
A時段（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橋臂中點輸出電平在+Vdc和0以開關頻率跳變，T2常通，T1與D5換流，為小換流迴路如圖5虛線所示。 此時段內存在T1，T2，D5的導通損耗以及T1，D5的開關損耗。 對此種工況進行DPT，可將負載電感連接於直流母線中點與交流出線端間，T3、T4保持關斷，T2保持導通，T1施加雙脈衝，第一個脈衝到來後，電流流經T1、T2、負載電感，電流線性上升，第一個脈衝結束後，T1關斷，電感電流通過D5、T2續流，T1第二個脈衝到來後，電流繼續流經T1、T2、 負載電感，D5被強迫關斷，該工況下測試對象為T1與D5。 圖5 T1與D5換流及DPT方法 B時段 B時段（V>0，I<0）為整流工況，電流流入橋臂，電壓依舊為正方向，T2保持開通，T3與D1換流，也就是所謂的大換流迴路如圖6虛線所示。 此時段內存在T3，D6，D1，D2的導通損耗以及T3，D1的開關損耗。 對此種工況進行DPT，可將負載電感連接於直流母線正端與交流出線端間，T1、T4保持關斷，T2保持導通，T3施加雙脈衝，第一個脈衝到來後，電流流經負載電感、T3、D6，電流線性上升，第一個脈衝結束後，T3關斷，電感電流通過T1、T2的反並聯二極體D1、D2續流，T3第二個脈衝到來後，電流繼續流經負載電感、T3、 D6，T1反並聯二極體D1被強迫關斷，該工況下測試對象為T3與D1。
圖6 T3與D1換流及DPT方法 C時段 C時段（V<0，I<0）與A時段工況對稱，為逆變工況，T3保持開通，T4與D6換流，換流迴路為小迴路，此時段內存在T3，T4，D6的導通損耗以及T4，D6的開關損耗。 對此工況的DPT方法與A時段工況方法是對稱的，這裡不再贅述，負載電感連接於直流母線中點與交流出線端間，測試對象為T4與D6。 圖7 T4與D6換流及DPT方法 D時段 D時段（V<0，I>0）與B時段工況對稱，為整流工況，T3保持開通，T2與D4換流，換流迴路為大迴路。 此時段內存在D5，T2，D3，D4的導通損耗以及T2，D4的開關損耗。 對此工況的DPT方法與B時段工況方法是對稱的，負載電感連接於直流母線負端與交流出線端間，測試對象為T2與D4。
圖8 T2與D4換流及DPT方法 2 . I-NPC三電平電路的雙脈衝實測 圖13所示為應用英飛凌F3L400R10W3S7 EasyPACK™ 3B三電平模塊產品的雙脈衝實測波形。 可以看到在關斷同樣電流時，長換流迴路中內管關斷時的電壓尖峰明顯更大，因此就需要在設計應用過程中通過DPT評估惡劣工況下內管的電壓應力，優化外圍直流母線及功率走線雜散電感或是調整外圍驅動參數以改善內管的電壓應力，避免器件過壓失效。 圖13 F3L400R10W3S7雙脈衝實測波形 同時通過DPT也可量化兩種換流迴路雜散電感的大小，如圖13虛線框所示，可以在DPT中被測器件第二次開通時觀測電壓平台的跌落與對應電流的變化率以求得，短換流迴路雜感約為30nH，長換流迴路雜感約為60nH。
對於更大功率的系統，通常採用半橋模塊來拼搭三電平電路，在構成I-NPC三電平電路時，主要採用下圖所示方案，短換流工況時只涉及一個半橋模塊，長換流迴路則會涉及所有三個功率模塊，因此在功率模組設計中，母排的設計需要格外優化儘可能減小長換流迴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電路里的雙脈衝實測波形，在室溫及額定電流條件下，為了降低長換流迴路IGBT的關斷電壓尖峰，使用了更大的門級關斷電阻，最終T1與T2的最大關斷尖峰電壓分別為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雙脈衝實測波形 3. I-NPC三電平電路的短路測試 對於I-NPC三電平橋臂的短路測試，通過模擬短路點位置與實際驅動時序（內管先開後關），給出以下幾種推薦的測試工況：
AC點與上橋或下橋鉗位點短接，模擬外管開通時短路，短路電流流過T1，T2，D6或D5，T3，T4。
總結 本篇介紹了I-NPC三電平電路的幾種不同換流工況，基於此，通過調整電感位置及功率器件的驅動方式可以模擬實際工況進行對應的雙脈衝測試，同時也給出了一些I-NPC電路DPT的實測波形，需要格外注意長換流迴路雜散電感的優化設計，最後列出了一些I-NPC電路短路工況供大家在測試中參考。 下一期，我們會繼續分析T-NPC電路的雙脈衝測試與短路測試評估。 |
