近年来，1500Vdc组串式逆变器凭借其在度电成本（LCOE）上的优势，成为国内外电站的主流解决方案。针对体积和重量的需求，提高单机的功率等级是组串式逆变器降低成本、实现平价上网的重要手段。应用混合型封装的多电平功率模块，可以使逆变器在效率和功率密度上获得提升。采用Easy-3B封装的功率模块，其单机功率等级可以达到200kW甚至更高。
针对光伏多电平混合功率模块的市场需求，青铜剑技术推出了适用于ANPC拓扑的Easy-3B封装，并基于IGBT + SiC MOSFET的混合型模块驱动器6QP0214T12-ANPC。
该驱动器采用数字式的控制策略，对桥臂所在六通道信号进行时序判定，防止错误的开关和保护时序。6QP0214T12-ANPC不仅具有常规的欠压保护，退饱和短路保护等功能，针对SiC MOSFET驱动部分额外增加了米勒钳位功能，以保证其可靠关断。
图1 驱动器外观图
一、混合型功率模块介绍
上文提到的Easy-3B混合模块是英飞凌新推出的一款内部既有IGBT又有SiC MOSFET的混合型模块，型号为F3L6MR12W3M1_B11_ENG。其外观和拓扑如图2所示，该模块用于中点钳位的T1、T4、T5、T6采用了1200V/150A的IGBT，而M2、M3采用了1200V/6mΩ的SiC MOSFET。
图2 Easy-3B混合型模块外观和内部拓扑图
二、混合型ANPC拓扑功率模块控制策略
由于NPC1拓扑中的两个钳位二极管变成了IGBT，使得ANPC拓扑的调制策略非常灵活。采用ANPC拓扑有利于优化换流回路以及损耗在不同器件上的均分，在有功和无功情况下都可以通过短换流回路换流，从而解决长换流回路时由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大的问题。
ANPC拓扑的F3L6MR12W3M1_B11_ENG模块，其内管M2、M3为碳化硅器件。为了充分发挥碳化硅器件开关损耗低的特点，采用两快四慢的调制方式。如图3所示，在调制上半周时T1、T6保持常开状态，T4、T5保持关闭，内管M2、M3都是进行高频工作。在调制下半周时T1、T6保持关闭，T4、T5保持常开状态，但内管M2、M3仍都是进行高频工作。内管M2、M3工作频率在40kHz以上，这使得母线支撑电容以及后级的电抗都获得大幅的减小，提升整机的功率密度。
图3 一种ANPC拓扑的调制策略
三、驱动器亮点解析
1、集成信号逻辑判断与处理
6QP0214T12-ANPC基于ANPC拓扑调制策略，利用其原边的CPLD芯片对输入的PWM控制信号进行逻辑时序准确性判断，并严格按照逻辑时序工作要求对器件的开关进行控制。在正常工作时，驱动器实现的主要逻辑时序如表1所示。
表1 正常工作时逻辑时序
另外驱动器对信号频率异常以及信号宽度异常也能进行判断，消除因为干扰信号引起的误开关。在故障情况下，驱动器通过数字芯片的控制能及时地以一定关断顺序进行安全关断功率模块。其关断顺序为先关T1/T4，再关T5/T6,最后关M2/M3。
2、SiC MOSFET（M2/M3）的应力优化
① NPC1以及ANPC拓扑每半边有两个换流回路；一个短换流回路，一个长换流回路，具体路径如下图4所示。M2/M3工作于长换流回路，这就需要驱动器关注其开关应力。
图4 短换流回路与长换流回路
6QP0214T12-ANPC针对M2/M3的开关加入分级关断功能，可以有效减少其在长换流回路中大电流关断的电压应力。图5为M2在750V/200A条件下的关断波形，从图中可以看出驱动器很好地控制了M2的电压尖峰。
通道1:VGS-M2 通道2：VDS-M3 通道3：ID-M3 通道4：VDS-M2
图5 M2关断波形
② 驱动器在SiC MOSFET驱动通道的驱动级加入了米勒钳位功能，防止互锁的两个SiC MOSFET中某一个SiC MOSFET开通时，由于米勒效应导致另一个SiC MOSFET同时误开通。
3、SiC MOSFET的短路故障穿越
在NPC1或者ANPC拓扑中，由于单个开关器件能承受系统一半的母线电压，这就需要控制功率模块中的每个管子以正确的时序进行开关。在正常工作中，其开关时序主要由主控板发出；在异常情况下（比如模块发生了短路故障），需要驱动器主动对功率模块进行控制，保证其以正常逻辑进行关断，防止模块失效。一般情况下在检测到故障，需要先关断外管，再关断内管。
在本ANPC拓扑的功率模块中，内管为SiC MOSFET，其短路耐受能力3us左右。结合拓扑，这就引入了一个非常大的难题：即在这么短的时间内既要保证正常工作时不产生误报故障，同时还要遵循先关外管再关内管的时序。6QP0214T12-ANPC驱动器针对此难点专门设计了短路保护策略，即短路故障穿越策略。
该策略利用SiC MOSFET短路耐受时间与短路时开通电压成反比的关系（短路时器件的门极开通电压越低，短路电流越小，短路耐受时间越长）：在内管的SiC MOSFET检测到短路故障后，会先将门极电压由正常开通时的17V降到12.5V，持续1.2us；在这1.2us中，驱动器会先关断外管T1/T4，再关T5/T6；1.2us后，再将内管M2/M3关断，与此同时驱动器输出故障信号。
图6为模拟故障时的关断时序，从图中可以看出M2先降低了它的门极开通电压，然后以T1、T6、M2的先后顺序进行了关断。
通道1:VGE-T6 通道2：VGE-T1 通道3：VGS-M2
图6 模拟故障时关断时序
图7为在750V情况下，对M2进行短路试验的结果。从图中可以看出，当门极电压由17V降低到12.5V后短路电流由2.52kA降低到了1kA。短路的检测时间为1.5us，进行关断的时间为2.75us。
通道1：VGS-M2 通道2：VDS-M2 通道3：ID-M2
图7 M2短路保护测试波形
综上所述，6QP0214T12-ANPC驱动器利用创新性的思路，解决了内管SiC MOSFET短路保护与关断时序的问题，从而保证系统可靠稳定地运行。
四、功率模组测试
我们对6QP0214T12-ANPC搭载功率模块的运行情况也进行了评估。图8为测试等效电路，采用的是两个功率单元对拖的形式。图9为功率单元的实物图形。
图8 测试等效电路
图9 功率单元实物图
图10，图11和图12为功率单元在1500V，输出有效电流100A时的工作波形。
通道1:VDS-M2 通道2:VDS-M3 通道3:L1电压 通道4:L1电流
图10 M2/M3测试波形
通道1:VCE-T1 通道2:VCE-T4 通道3:L1电压 通道4:L1电流
图11 T1/T4测试波形
通道1:VCE-T5 通道2:VCE-T6 通道3:L1电压 通道4:L1电流
图12 T5/T6测试波形
从上图波形可以看出外管IGBT以及内管SiC MOSFET工作情况良好，符合预期。
五、总结
本文针对1500V系统光伏逆变器ANPC拓扑的Easy-3B混合型模块驱动器的逻辑时序处理，内管SiC MOSFET的应力优化和短路故障穿越难点进行了详细分析介绍，以及功率模组测试验证结果分享。6QP0214T12-ANPC驱动器凭借其先进的控制及保护策略，可以完美适配于该新型IGBT + SiC MOSFET的混合模块。
