关键词：NPC；鲁棒性；中压变频驱动

Abstract: Middle clamping type (NPC) three-level topology is widely

applied in medium voltage variable frequency drive.This paper introduces the circuit topology and its demand for semiconductor devices, and introduces the mitsubishi electric X series diode how to enhance the robustness and reliability of the converter

Key words:NPC;robustness;Medium voltage variable frequency drive

【中图分类号】TN77 【文献标识码】B 文章编号 1606-5123（2020）07-0075-02

1、中点钳位三电平变流器

在大功率中压驱动领域，中点钳位式（NPC）三电平是一种典型的拓扑，可以应用在多种领域中，例如海上风电、静止同步补偿器、轧机、皮带传输机，甚至在船舶推进系统中也有应用。那么 NPC 拓扑有什么特点呢？

图 1：由 IGBT（红色方框）和二极管（蓝色方框）组成的 NPC

三电平电路

图 1 是 NPC 三 电 平 电 路 的 拓 扑 图， 包 含 4 支IGBT，如图中红框所示。变流器的每个桥臂由两支IGBT 串联组成，这是 NPC 三电平电路的第一个优势，其直流母线电压可以是两电平电路的 2 倍。

此外，NPC 三电平电路中还使用了钳位二极管，如图中蓝框所示。由于这些二极管，NPC 电路可以输出三种不同的电平（+VDC/2, 0, - VDC/2），与两电平电路相比，NPC 电路可以降低变流器的输出总谐波失真（THD，Total Harmonic Distortion），从而减小滤波器的体积并提高效率。

如 图 1 所 示，NPC 三电平电路的输出电压以VDC/2 为梯度变化，这有两个好处：首先，对于半导体器件来说，由于开关时刻的电压更低，所以开关损耗会降低；其次，共模电流会减小。较大的共模电流会产生电磁干扰并可能导致轴承或电机损坏。

综上所述，与两电平电路相比，NPC 三电平电路具有以下优点：

▪ 提高直流母线电压和输出电压；

▪ 减小输出滤波器体积，提高工作效率；

▪ 更高的开关频率；

▪ 更低的共模电流。

2、应用领域 

NPC 三电平变流器如今被广泛应用于各个领域中。 在以下三个应用案例中，我们可以看到完全不同的技术需求。第一个应用案例是海上风电应用中的网侧变流器，其将风力发电机产生的电能馈入电网。网侧变流器在工作时功率因数接近 1。变流器输出连接电网或者通过滤波器连接电网，所以调制比 m 变化很小。第二个应用案例是海上风电应用中的机侧变流器，因为电能是从交流侧流向直流侧，因此变流器工作时功率因数为负。此外，变流器的调制比 m 会随着风力发电机转速和电压的变化而变化。

图 2：不同变流器工况下钳位二极管的电流有效值

最后一个应用案例是静止同步补偿器（STATCOM），其作用是向电网提供无功功率。根据电网对无功功率的需求不同，其可能工作在功率因数接近为零的状态。假设电网电压不变，其调制比 m 也是相对恒定的。

对以上应用案例中 NPC 三电平拓扑的钳位二极管进行分析。设定 NPC 三电平变流器的工作条件如下：直流母线电压为 5000V，输出正弦波电流有效值

1500A，功率器件开关频率 600Hz, 输出频率 50Hz。

图 2 所示为 NPC 三电平上桥臂钳位二极管模块的损耗和热应力与电流有效值的关系。从图中可以看出：当变流器的输出电流为 1500A 时，通过钳位二极管的电流有效值较低；最大电流出现在调制比较低的情况下，并且当功率因数为零时电流最大。

根据图 2 的结果可以看出，NPC 三电平钳位二极管额定电流的选择与应用领域密切相关，如果二极管选择不合适，变流器在性价比方面就缺乏竞争力。对于不同客户需求和不同应用领域，应当选择最合适的二极管。

图 3：三菱电机高压二极管产品阵容

基于以上考虑，三菱电机开发了丰富的 IGBT 和二极管产品阵容，二极管产品阵容如图 3 所示，电压等级从 1.7kV 到 6.5kV，产品系列包括了 S 系列、F 系列以及最新的 X 系列。其中 X 系列二极管使用了 RFC 技术，与 X 系列 IGBT 模块内的反并联二极管技术相同。当然，在 NPC 三电平电路搭配中，S 系列或者 F 系列二极管也可以作为钳位二极管，与 X 系列 IGBT 组合使用。图 4 展示了一种典型应用（S 系列二极管搭配 X 系列 IGBT）的测量结果。

图 4：S 系列二极管与 X 系列 IGBT 组合时二极管反向恢复波形

（RM600DG-130S,CM900HG-130X,条件 :Tj=25° C,Vcc=3500V,

Ic=1000A,Ls=150nH)

3 X 系列 RFC 二极管

三菱电机开发了新的X 系列二极管模块，如上所述，其采用的 RFC 二极管技术与 X 系列 IGBT 模块内部的反并联二极管相同，具有以下特点：高鲁棒性以及宽安全工作区；即使在较大杂散电感条件下也可以实现平稳开关；

▪ 高 I²t，提高抗浪涌电流能力；

▪ 更大电流等级；

▪ 低损耗；

▪ 所有产品最高结温 150℃。

RFC 技术也应用到了传统 130x140mm 封装的两单元二极管模块中，图 5 为应用此技术的 6.5kV 二极管模块。

RFC 二极管，在芯片的背面有一个特殊的 P 和 N+的掺杂区，如图 6 所示。这种结构可以使二极管开关更平稳（降低 EMI），同时也增强了二极管的鲁棒性。关于 RFC 二极管，最初在文献 [1] 中就开始提出，在文献 [2-6]中介绍了对于该技术的不断改进。

图 7 展示了两种 6.5kV 二极管模块的正向导通压降 对比曲线，紫色曲线代表前一代的 600A 二极管模块，红色曲线代表 X 系列 1000A 二极管模块，两者封装相同。可以看出，X 系列二极管的导通压降有了明显的降低，从而可以降低通态损耗、增大输出功率、提高效率，也可以使变流器更加紧凑。

RFC 二极管的鲁棒性也有了明显的提高。抗浪涌电流冲击能力或 I²t 是衡量二极管鲁棒性的主要参数。二极管鲁棒性的测试一般采用半正弦波电流脉冲，其测试峰值通常大大高于额定电流。器件数据手册中会标出浪涌电流峰值和 I2t。在某些工况，比如换流器出现短路的情况下，需要二极管具有更大的抗浪涌电流冲击能力。

将 4.5kV X 系列二极管与前一代产品进行对比，如表 1 所示，其抗浪涌电流能力有了很大的改进，峰值浪涌电流和 I²t 分别提升了 38% 和 129%。

在多电平变流器中，更加复杂的母排结构和更长的 换流路可能导致较大的杂散电感。图 8 为 3.3kV X 系列二极管在杂散电感为 300nH 情况下的反向恢复波形，即使在这样恶劣的条件下，X 系列二极管的开关波形依然平滑，表现符合预期。

4 结 论

S 系列与 F 系列二极管模块已经被广为应用，为了丰富产品线，三菱电机开发了新的 X 系列二极管模块。客户可以根据自己的应用领域（如多电平变流器或者直流斩波器等），从丰富的产品阵容来选择最适合的二极管模块。X 系列二极管采用了最新的 RFC 二极管技术，提升了器件最大输出电流能力和鲁棒性，同时器件的抗浪涌电流能力和 I²t 也得到了提高，即使在严酷工况下也能实现稳定开关。X 系列二极管的这些优异性能也会进一步提高变流器的可靠性和鲁棒性。

参考文献： 

[1] K.Nakamura, H. Iwanaga, H. Okabe, S. Saito und K.Hatade, Evaluation ofoscillatory phenomena in reverse operation for High Voltage Diodes,“in 21stInternational Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s, Barcelona,2009.

[2] K.Nakamura, F. Masuoka, A. Nishii, K. Sadamatsu, S.Kitajima und K. Hatade,Advanced RFC technology with new cathode structure of field limiting rings forHigh Voltage planar diode,“in22ndInternational Symposium on Power Semiconductor Devices & IC’s (ISPSD),Hiroshima, 2010.

[3] A.Nishii, K. Nakamura, F. Masuoka und T. Terashima, Relaxation of currentfilament due to RFC technology and ballast resistor for robust FWD operation,“in 23rdInternational Symposium on Power Semiconductor

Devices and ICs, San Diego,2011.

[ 4 ] F . M a s u o k a , K . N a k a m u r a , A . N i s h i i u n d T .

Terashima, Great impact of RFCtechnology on fast recovery diode towards 600 V for low loss and high dynamicruggedness,“in 24th InternationalSymposiumon Power Semiconductor Devices and ICs, Bruges,2012.

[5] F.Masuoka, K. Tanaka, T. Kachi, Y. Yoshiura und K. Shimizu, RFC diode with highavalanche stability and UIS capability,“in 29th International Symposium onPower Semiconductor DevicesandIC’s (ISPSD), Sapporo, 2017.

[6] K.Nakamura und K. Shimizu, Advanced RFC diode utilizing a novel verticalstructure for soilness and high dynamic ruggedness,“in 29thInternational Symposium on Power Semiconductor Devices and IC’s (ISPSD),Sapporo, 2017.