在集中式光伏逆變器應(yīng)用中，基于 1200 V IGBT 的 3 電平中性點箝位拓撲是一種流行的方法。然而，考慮到高額定電流、低雜散電感和廣泛可用的標準化外殼的要求，找到合適的功率模塊通常具有挑戰(zhàn)性。因此，需要為 1500VDC 三電平集中式光伏逆變器提供智能解決方案。
　　通常，當(dāng)使用多個標準半橋電源模塊開發(fā) 3 電平 NPC 拓撲時，會出現(xiàn)問題。IGBT 模塊的串聯(lián)會產(chǎn)生高雜散電感，這與高開關(guān) di/dt 相結(jié)合會導(dǎo)致高開關(guān)過電壓 [2]。具有集成 NPC 拓撲相臂（包含 4 個 IGBT 和 6 個二極管）的 IGBT 模塊可能具有較低的雜散電感，但不適用于高額定電流，并且由于內(nèi)部電路復(fù)雜，成本更高 [3]。解決方案是將有源中性點鉗位 （A-NPC） 拓撲與智能調(diào)制方案結(jié)合使用，從而能夠使用半橋 IGBT 模塊，例如新的事實上的標準（LV100 模塊），而不會出現(xiàn)由高換向電感引起的開關(guān)過電壓問題。
　　由于系統(tǒng)成本顯著降低，1500 VDC 的直流電壓近已成為公用事業(yè)規(guī)模光伏發(fā)電廠的標準。因此，必須選擇合適的電路拓撲和半導(dǎo)體器件，能夠處理集中式太陽能逆變器的 1500 VDC 直流鏈路，以滿足與成本、效率、可靠性和電網(wǎng)諧波相關(guān)的要求。
　　2 電平拓撲結(jié)構(gòu)不可取，因為考慮到瞬態(tài)過電壓，1.7 kV IGBT 無法提供足夠的故障裕量。此外，在這樣的工作條件下，由于宇宙射線，1.7 kV IGBT 的故障率很高。更高電壓的器件（如 3.3 kV IGBT）具有較低的宇宙射線感應(yīng)故障率，并且還為瞬態(tài)過電壓提供了足夠的裕量。然而，3.3 kV IGBT 的開關(guān)和導(dǎo)通損耗不能滿足與效率和開關(guān)頻率相關(guān)的系統(tǒng)要求。優(yōu)化的中間電壓等級 IGBT 阻斷能力在市面上無法支持 1500 VDC 應(yīng)用。因此，在可再生能源應(yīng)用領(lǐng)域，基于 1200 V IGBT 的 3 電平拓撲是當(dāng)今直流母線電壓高達 1500 VDC [6] 的逆變器的拓撲。
　　半橋電路配置是高功率 1200 V IGBT 模塊的普遍電路拓撲。一個主要原因是半橋模塊提供的內(nèi)部布局經(jīng)過優(yōu)化，以減少換向電感回路，從而可以在運行期間使用具有合理瞬態(tài)過電壓的大電流 1200 V 模塊。通過在 3 電平 NPC 拓撲中使用這些半橋模塊，換向環(huán)路中涉及多個模塊，因此，不存在低電感內(nèi)部模塊布局的好處。因此，除非顯著降低開關(guān)速度，尤其是 di/dt 以減少瞬態(tài)過電壓，否則無法使用半橋模塊。對于一代的溝槽式 IGBT，在關(guān)斷時通過柵極電阻實現(xiàn)的 di/dt 可控性是有限的，因此不可能顯著降低開關(guān)速度。此外，由于這種減速而導(dǎo)致的開關(guān)能量增加將對系統(tǒng)效率、功率密度產(chǎn)生負面影響，并終降低逆變器成本。
　　使用半橋/斬波器模塊的 3 級 NPC 換向經(jīng)典的 3 級 NPC 拓撲
　　要構(gòu)建 3 級 NPC 拓撲，需要三個模塊（一個半橋模塊和兩個斬波器模塊），如圖 1 所示。模塊 A 和 C 是斬波器模塊，模塊 B 具有半橋配置。由于優(yōu)化了低電感 IGBT 模塊布局并考慮了適當(dāng)?shù)寞B層直流母線設(shè)計，因此模塊 A 和 B（Ls1p 和 Ls1n）對直流母線的寄生雜散電感很小。然而，在多個模塊上換向期間的雜散電感（Ls2p 和 Ls2n）沒有得到優(yōu)化，因此相比之下相對較高。

　　

　　圖 1：基于三個 LV100 IGBT 模塊的 3 電平 NPC 拓撲。
　　根據(jù)圖 2 中所示的與輸出電壓相移和輸出電流相關(guān)的工作模式，需要考慮不同的換向電感。圖 3 顯示了 3 電平 NPC 拓撲的不同工作模式。

　　圖 2：3 電平逆變器的工作模式
　　在工作模式 2 和 4 中，由于換向在一個功率模塊內(nèi)（類似于傳統(tǒng)的 2 電平操作），因此有效換向電感很低。IGBT 模塊 B 傳導(dǎo)電流，但不參與換向環(huán)路。在工作模式 1 和 3 中，有效換向電感很高，因為所有 3 個模塊都參與換向事件。因此，可能會發(fā)生過電壓，這可能會超過半導(dǎo)體的阻斷能力，并導(dǎo)致 IGBT 模塊損壞。

　

　　圖 3：3 電平 NPC 拓撲的工作模式
　　利用 A-NPC 拓撲實現(xiàn)低電感換向在 A-NPC 3 電平拓撲中，有源開關(guān) （IGBT） 被添加到 NPC 拓撲的中性點箝位二極管 D5 和 D6 中。通過使用這些 IGBT，可以使用中性電壓的替代換向路徑。可以使用不同的控制策略，這可能會導(dǎo)致不同開關(guān)元件之間的功率損耗分布更加均勻 [1] [5]。
　　除了這些優(yōu)勢外，A-NPC 拓撲還有助于實現(xiàn)低電感換向環(huán)路。圖 4 顯示了使用三個半橋模塊構(gòu)建的 A-NPC 拓撲。例如，當(dāng)經(jīng)典的 NPC 拓撲處于工作模式 1 時，由于換向事件涉及多個模塊，因此沒有低電感路徑可用。然而，當(dāng) A-NPC 拓撲處于工作模式 1 時，D2 和 S5 上有一個新的低電感路徑可用。此外，在工作模式 3 中，S6 和 D3 上的新低電感路徑也可用。因此，在所有四種工作模式下，都存在一個利用有源開關(guān)的低電感換向回路。不存在涉及多個模塊的高電感換向路徑。

　　圖 4：3 電平 A-NPC 拓撲的工作模式
　　使用 LV100 IGBT 模塊進行 3 級評估
　　測試設(shè)置
　　考慮到 LV100 封裝已被確立為可再生能源、工業(yè)驅(qū)動、鐵路轉(zhuǎn)換器和電網(wǎng)應(yīng)用等高功率應(yīng)用的新標準 [7]，我們構(gòu)建了一個包含三個工業(yè) 1200 A IGBT 半橋模塊的測試裝置。該設(shè)置代表一個 3 電平 A-NPC 相位臂，如圖 5 所示。經(jīng)典的 NPC 拓撲換向也通過保持 IGBT S5 和 S6 關(guān)閉來評估。已經(jīng)評估了有效換向電感和電流，可在不超過 1200 V 的情況下進行切換。該評估的條件是 Tj=25°C 和 VCC = 1500 V （2 x 750 V）。

　　圖 5：基于三個 1200 A LV100 IGBT 半橋模塊的 3 電平測試裝置
　　評估結(jié)果
　　圖 6 所示的評估結(jié)果表明，通過使用 A-NPC 拓撲，所有工作模式下的雜散電感都小于 19 nH。在所有工作模式下，2400A 的電流（兩倍額定電流）不受瞬態(tài)過電壓的限制。此處指示的 2400A 限制與 1200A IGBT 模塊 [8] 數(shù)據(jù)表中的 RBSOA 限制有關(guān)。如圖 7 所示，當(dāng)關(guān)斷 2400 A 的集電極電流 IC 時，集電極-發(fā)射極電壓 （VCE） 小于 1100 V。然而，通過使用經(jīng)典的 NPC 拓撲，VCE 可以達到 1200 V，同時關(guān)閉 637 A 的集電極電流。高過電壓是由 118.2 nH 的高雜散電感引起的。

　

　　圖 6：工作模式的評估結(jié)果：A-NPC 和 NPC 拓撲在 1200V 時的換向電感和集電極電流

　　圖 7：IGBT 關(guān)斷波形比較：VCC=2x750 V，Tj=25°C 時，工作模式 3 中的 A-NPC 與 NPC。
　　A-NPC 拓撲中的零電壓交叉換向 3 電平電壓源 PV 逆變器調(diào)制基頻為 50 Hz 或 60 Hz 的正弦電壓。在正弦半波（正或負）期間，A-NPC 拓撲提供低電感換向路徑。然而，在改變輸出電壓的極性時，例如從工作模式 2 更改為 3 或從 4 更改為 1，無法避免多個模塊的高感應(yīng)換向。在純有功功率 [3] [4] （cos（φ）=1/-1） 的功率因數(shù)的情況下，輸出電流為零，較高的換向電感不會引起過電壓。
　　但是，如果逆變器必須提供無功功率，則電流需要通過高電感路徑進行換向。由于集電極電流限制（如評估的 637 A）是不可接受的，因此需要一種專用的新型開關(guān)模式來降低過電壓。圖 8 中的示例顯示了在負輸出電流條件下，輸出電壓極性從負半波變?yōu)檎氩ㄆ陂g的換向。這表示從操作模式 4 到 1 的變化。在負半波期間，IGBT S4 和 S6 交替切換。電流在路徑 1 和 2 之間交換。通過更改為正電壓半波，電流必須通過 118.2 nH 的高電感路徑從半橋 IGBT 模塊 C 換向 A。在極性變化期間，可以通過打開 IGBT S2、S3、S5 和 S6 并聯(lián)接通換向路徑 2 和 3。
　　如圖 8 中的波形所示，電流自然會通過路徑 2 到 3 部分換向。在對 1200 A LV100 IGBT 模塊的評估中，可以觀察到，在 80μs 后，路徑 2 （IC S3） 的約 40% 的電流已換向路徑 3 （IC S2），沒有任何過電壓。在此部分換向之后，可以通過關(guān)閉 IGBT S6 和 S3 來關(guān)閉路徑 2。在此關(guān)閉時，di/dt 降低，因為電流在關(guān)閉前已經(jīng)減少了 40%。如圖 9 所示，當(dāng) IGBT S3 關(guān)閉時，由關(guān)斷 di/dt 和相應(yīng)的換向電感將產(chǎn)生過壓。在 IGBT 上測得的過電壓沒有直流母線電壓的大小，因為路徑 3（D2 和 S5）已經(jīng)導(dǎo)通。這

　

　　圖 8：從工作模式 4 到 1 的新型換向，降低了過電壓

　　圖 9：IGBT S3 在降低過電壓的新?lián)Q向期間的關(guān)斷波形
　　評估表明，在關(guān)斷 2300 A 時，產(chǎn)生的過電壓為 750 V，因此遠低于 1200 V 的限制。因此，可以成功地將電壓極性更改為正正弦半波，并且可以交替切換低電感路徑 3 和 4。
　　LV100 針對可再生能源和工業(yè)應(yīng)用進行了優(yōu)化 已經(jīng)證明，半橋 IGBT 模塊可以在沒有與 3 電平逆變器換向電感相關(guān)的典型缺點的情況下使用。此外，考慮到集中式光伏逆變器需要可靠、可擴展和標準化的功率模塊，用于工業(yè)和可再生能源應(yīng)用的 LV100 提供了優(yōu)化的解決方案 [7]。
　　LV100 外殼是高功率 IGBT 模塊的新事實上的標準，因此它與來自不同供應(yīng)商的功率模塊具有兼容的外形。用于 indutrail 應(yīng)用的 LV100 系列涵蓋 1200V 和 1700V 阻斷電壓額定值，如圖 10 所示。用于 indutrail 應(yīng)用的 LV100 基于 SLC 封裝技術(shù)，該技術(shù)已被證明是一種無熱循環(huán)故障的封裝技術(shù) [9]。由于 SLC 封裝技術(shù)利用具有匹配熱膨脹系數(shù)的互連材料，并且不需要焊料層將基板連接到基板，因此不存在熱循環(huán)失效模式。第 7 代 IGBT 和二極管芯片的技術(shù)有助于實現(xiàn)盡可能高的逆變器效率。這些技術(shù)與先進的對稱低電感內(nèi)部布局相結(jié)合，可提供盡可能高的功率密度 [7] 和可靠的運行。

　

　　圖 10：用于工業(yè)和可再生能源應(yīng)用的 LV100 系列
　　總結(jié)
　　使用半橋 IGBT 模塊可以實現(xiàn)具有低電感換向的大功率 3 電平集中式光伏逆變器。事實證明，通過將 LV100 IGBT 模塊與有源中性線鉗位 （A-NPC） 拓撲結(jié)合使用，低電感換向路徑可用于所有工作模式。在輸出電壓極性變化期間，可以應(yīng)用此處描述的新型換向模式來有效降低開關(guān)過電壓。