三电平拓扑结构具有高效率和低谐波失真的特点，被广泛应用在UPS和太阳能等领域。最常见的三电平拓扑结构有NPC和TNPC，如图1所示。两种结构每一相都有4个

　　驱动可以设计为一个驱动核驱动1个IGBT，也可以设计成的一个驱动核驱动2个IGBT。赛米控的SKYPER 42 LJ和SKYPER 12驱动平台特别适合三电平的应用，因为它们对短路检测的响应是可调的。图2显示了双驱动核在NPC拓扑结构中可能的连接方式，这也适用于TNPC拓扑结构，因为这两种拓扑具有相同的脉冲模式。

　　对于上面的a和b两种方式，一定要能够关闭驱动程序的互锁功能，因为驱动的两个IGBT是可以同时开通的。本文讨论了这两种情况。

　　在三电平拓扑结构中，T1和T3是不能同时开通的，是互锁的。因此具有延迟互锁功能的半桥驱动核可以用于方式c。这时就不需要控制板来生成死区时间，这同样适用于T2/T4。

　　NPC拓扑结构有两种不同的换流回路，即短换流回路和长换流回路。图5显示了正方向的电流回路，换流回路用绿色矩形表示。有功功率(Iout0和Vout0)发生在短的换流回路中，无功功率(Iout0, Vout

　　门极电阻控制现代IGBT的关断过程中的尖峰电压，只在有限的范围内才有效果。

　　在有源钳位电路中，多个串联在集电极和栅极之间，它们的击穿电压VZener即为有源钳位的起始动作电压。在IGBT关断过程中，当VCE上升过程中超过VZener时，钳位二极管导通。导通电流给门极充电，使其再次开通，直到VCE电压降低到VZener电压以下。

　　在TNPC拓扑中，内管IGBT和外管IGBT具有相同的换流电路。横管(T2,T3)的阻断电压通常低于竖管(T1,T4)。

　　在这种情况下，对水平IGBT来说电压限制措施往往是必要的，例如增加有源钳位。

　　电流传感器处于短路通道上，当达到过流阈值时，按指定的顺序关闭IGBT:首先关断外管IGBT，然后关断内管IGBT。这些IGBT应该在退饱和之前被关断，这就需要快速的电流采集和评估电路。一个有利的方面是电流的上升速度会受到交流电抗器的限制，如果只考虑这种类型的短路，是可以不需要对IGBT进行短路检测的。然而，如果直到IGBT退饱和之后电流还在上升，可能是因为电流检测太慢，那么这种情况必须考虑如4.2中所述的。

　　IGBT的退饱和电流通常发生在标称电流的3-8倍左右，否则可能导致IGBT的损坏。

　　)在IGBT规格书中的短路时间的范围内，才是可行的。如图9所示，在相与相的短路期间，电流总是流经一个外管IGBT。如果只涉及内管IGBT，则不会产生短路电流，因为只有N端电势相连，当短路发生在相与直流母排之间时，就可能只涉及一个内管IGBT。

　　短路的另一种情况是由于控制不正确，多个IGBT(如T2、T3和T4)同时开通。在无有源钳位的情况下，如果直流电压高于IGBT的阻断电压，最后开启的IGBT(如T1)将被过电压击穿。

　　被反馈给用户端的控制器，控制器必须在tpsc时间内关断内管IGBT。当用标准Rg关断时，为了保护内管IGBT免受过高的电压的冲击，可能需要一个有源钳位电路。为了保持这个关断顺序，当外管IGBT被检测到短路时，内管IGBT不能立即关断，只有当来自IGBT的电流已经换流到二极管D5或D6时才能关断。在选择驱动和故障的处理时必须考虑这一点。图10显示了正电流的时序图。

　　TNPC是类似的。T1检测到短路并进行软关断。电流换流到D3和T2，然后T2在大电流下被硬关断。

　　使用两个SKYPER 12，一个用于T1、T2，另一个用于T3、T4。两个驱动程序都在NPC模式下运行, 当出现故障时，驱动会被软件关断而不是驱动板自己进行关断。

　　如果内管IGBT检测到短路，这些IGBT不会关断，驱动产生故障信号，如果外管IGBT是开通的，用户端的控制器将先关断它们，当电流从IGBT转换到二极管D5/D6时，内管IGBT再被关断。关断的顺序必须由控制板来控制，并且这个短路关断动作必须在t

　　内完成，外管IGBT用标准Rgoff关断。图13显示了正电流的时序图。在NPC模块中使用SKYPER 42 LJ驱动可以保证这种关断顺序。在这种模式下，当检测到短路时，IGBT不会被立即关断，而且会传输一个故障信号。由于存储了这个故障信号，IGBT在下一次常规关断脉冲时用软关断电阻进行关断，因此可以防止过电压。

　　可以通过一个Pin脚设置为二电平或三电平模式。由于有足够的电压裕量，NPC应用样品中不需要有源钳位二极管，而TNPC在内管IGBT上提供有源钳位二极管。这种驱动可以使内管IGBT在NPC模式下运行，外管IGBT在二电平模式下运行。在短路情况下，IGBT通过软关断电阻关断。

　　如果所有的IGBT都有短路检测和有源钳位限压，则是最佳的短路保护。在这种情况下，每个IGBT可以在发生短路时立即关断，而不必注意特定的开关序列。当一个IGBT出现故障信号时，就立即关断其他所有IGBT，这样的话也可以使用二电平驱动，该电路的缺点是齐纳二极管数量多，成本高，对驱动

　　的空间要求高。SEMITRANS 10 NPC的样机就应用了这个保护方式，如图16。

　　. 三电平驱动电路的特殊设计与TNPC相比，NPC的短路检测和短路关断更加困难。TNPC在短路时只有一个IGBT处于电流导通模式，而NPC串联的两个IGBT可以同时导通。当使用同一类型的IGBT时，两个IGBT可能同时退饱和，这种情况是不可取的，因为在不饱和的情况下，IGBT具有高增益(大电流变化与小栅极电压变化)，因此易于振荡，这可能导致破坏。下面介绍防止这种情况的几种方式。

　　a.只有在逆变器输出端短路的情况下，可以不考虑这种同时退饱和的情况。如4.1所述

　　b.所有四个IGBT都有有源钳位和短路检测的功能时，如果检测到一个IGBT短路，其他所有IGBT会立即关断。如5.2所述，图16。

　　c.所有四个IGBT都具有有源钳位，而短路检测只存在于外管IGBT上。参见图17c。此外，内管IGBT具有比外管IGBT更高的栅极电压(例如17V)，这是为了确保外管IGBT总是先退饱和。缺点是在

　　端和DC+/-端短路时，外管未参与，内管由于门极电压大，所以短路电流会非常大。然后IGBT必须在规定的短路时间tpsc之前关断，以免热损坏。d.所有四个IGBT都具有有源钳位，但只有内管IGBT存在短路检测，参见图17d。此时外管IGBT的栅极电压高于内管IGBT(如17V)，这是为了确保内管IGBT总是先退饱和。因此，所有的短路情况都可以检测到。如果检测到短路，IGBT将立即关断，并产生故障信号，然后立即关断外管IGBT。即使内管先关断，但是有源钳位电路能保护IGBT免于过压影响。

　　短路检测级别和盲区时间，以确保关断顺序。在实际中，这一措施通常没有很好的效果，因为组件公差比调整VCE检测等级和盲区时间有更大的影响。

　　除了对短路保护的考虑之外，由于较低的电压裕量，TNPC和NPC在长换流回路中由于有较高的杂散电感，内管IGBT可能需要通过有源钳位来限制峰值电压。

　　TNPC拓扑中的短路保护更容易处理，因为只有一个IGBT在通电。NPC拓扑更难处理，因为两个IGBT是串联的，这可能导致两个IGBT同时退饱和。

　　在退饱和的检测中，只检测外管IGBT上的短路保护，而不检测相到地的短路保护。然而，这种解决方案仍然是有吸引力的，因为

　　数量相对较少，且三电平安全关断顺序是有保证的。在内管IGBT上配置有源钳位可能仍然是必要的。对于短路保护，对地短路和相与相之间的短路，必须对所有IGBT进行退饱和检测。当不同的门极电压作用于NPC电路的内管和外管IGBT时，只对两个IGBT进行退饱和检测就足够了，因为那样已经定义了退饱和的顺序。

　　在所有IGBT上使用有源钳位二极管电路，当检测到短路保护时可以立即关闭IGBT。优点是不需要采用关断机制，可以使用标准的两电平的驱动电路,但是系统需要大量的器件，特别是齐纳二极管，降低了系统的可靠性。此外，因为二极管的公差因素，有源钳位电路的设计具有一定的挑战性。

　　如果可以在IGBT退饱和之前用交流侧的电流传感器检测到短路保护电流，则不需要对IGBT进行退饱和检测。这通常是在这种情况下，电流的上升斜率被交流电抗器限制了。这大大降低了对驱动板设计的要求，缺点是电抗器之前的短路能力弱，例如由于绝缘失效或在制造过程中的组装失误。

　　针对不同的应用场景，需要由系统设计人员去决定哪个保护等级是能够满足要求的。

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