【应用】Vincotech新型替代三电平拓扑在高效单相太阳能逆变器中的应用

时间： 2018-10-16 来源：Vincotech

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IGBT功率模块,10-FY07HVA050S5-L984F08,10-FY07HVA075S5-L985F08,10-FY07HVA100S5-L986F08

三电平拓扑最突出的特点是高效率和减少滤波器工作量，三电平拓扑结构在单相太阳能应用中占有突出地位。本文介绍了一种新的替代方案，它能够满足无功功率要求和降低产品成本。众所周知，太阳能逆变器必须产生正弦输出电流，这样才能将电流馈入公共电网。产生正弦电流的最简单的方法是使用具有直流电压脉宽调制的H桥逆变器和输出滤波器。三电平拓扑能够有效减少开关损耗。

HERIC拓扑^TM

基于HERICTM的逆变电路与两组串联的IGBT和二极管在输出端实现动态短路连接。这两组IGBT和二极管在H桥的输出端反并联连接。对于每个半波，H桥的2个不同IGBT在实际功率（电流和电压具有相同的极性）用PWM切换。在相应的半波期间，输出端的IGBT进行导通或截止。

图1 HERICTM拓扑电路图（激发和续流）

优点：低静态损耗

• 导通时中实际功率的电压降:2xIGBT

• 关断和续流时实际功率的电压降：2xIGBT+2x二极管

• 关断和续流时的无功电压降：2x二极管

缺点：有复杂的结构

• 需要6个IGBT（4倍超快速切换）和6个快速二极管

H5拓扑

对于同一种方法，不同的解决方案是H5拓扑。附加的IGBT与低侧IGBT共同用PWM切换，高侧IGBT在实际功率下在完全对应的半波期间导通/截止。

图2 H5拓扑电路图（激发和续流）

优点：所需组件更少

• 需要5个IGBT和5个快速二极管

• 5个IGBT中只有3个必须进行超快速切换（如果关注实际功率效率的话）

缺点：高静态损耗

• 导通期间实际功率下的电压降：3xIGBT

• 关闭和续流期间实际功率下的电压降：1xIGBT+1x二极管

• 关闭和续流期间无功功率时的电压降：3x二极管

• 第5个切换需要为其栅极驱动器提供额外的电源

新型替代三电平拓扑

新型H6.5拓扑

新的H6.5拓扑还使用6个IGBT作为HERIC拓扑TM，但只需要5个二极管。新型H6.5拓扑显示出与Helic拓朴TM相同的实际功率性能。

图3 新型H6.5拓扑电路图

图4 正半波期间新型H6.5拓扑的工作原理

图5 负半波期间新型H6.5拓扑的工作原理

优点：实际运行时静态损耗低

• 导通期间实际功率下的电压降：2xIGBT

• 关断和续流期间实际功率下的电压降：2xIGBT+2x二极管

缺点：结构复杂

• 需要6个IGBT（4倍超快速开关）和5个快速二极管

• 关断和续流期间无功功率时的电压降：3x二极管

新型H5.6拓扑

第二个新型替代拓扑是H5.6拓扑。新拓扑结构也使用了5个IGBT，但只需要6个二极管。第5个开关可以放置在电路的高侧或低侧。

图6新型H5.6拓扑电路图

新型H5.6拓扑显示与H5相同的性能。实际功率期间的效率与H5相同，但无功功率时续流与HERICTM相同。

优点：

• 降低了复杂性，只需要5个IGBT

• 关断和续流期间实际功率下的电压降：1xIGBT+1x二极管

• 关断和续流期间无功功率时的电压降：2x二极管

缺点：

• 导通期间实际功率下的电压降：3xIGBT

• 需要6个二极管

• 第5个开关需要为其栅极驱动器提供额外的电源。

支持新型拓扑的功率模块

对半导体集成的功率模块的要求如下：

• 2个独立的升压环节，用于MPP（最大功率点）跟踪

• 采用新型H6.5拓扑结构

• 高开关频率，例如：40kHz

• 低电感，集成直流电容器

• 温度传感器

• 良好的热界面

对于续流路径，可以使用共集电极或共发射极（参见图7）实现新拓扑。在续流路径中使用IGBT的共集电极的优点是不需要额外的电源，因为发射极在此与H桥的高侧IGBT共用。

图7 H6.5拓扑结构，在续流路径中具有公共集电极，其中3个电压电位用于栅极驱动电路

图8 H6.5拓扑结构，在续流路径中具有共发射极，其中4个电压电位用于栅极驱动电路

所以支持新型拓扑的功率模块有以下两类：

2x升压+H6.5逆变器功率模块

使用标准的2x升压器模块，并在基于VINCOTECH flow 1功率模块外壳的第二个模块中实现新型拓扑。这种结构也支持MPP跟踪器和逆变器在PCB上的不同位置上的设计。H6.5拓扑的产品目前有10-FY07HVA050S5-L984F08，10-FY07HVA075S5-L985F08，10-FY07HVA100S5-L986F08等。

图9 支持新型拓扑的2xBoost+H6.5逆变器功率模块

2x[升压+半波逆变器]功率模块

这里有一个升压环节和一个半波逆变器组件组合在一个模块中。优点是2个模块的功耗相同，与输入电压无关。开关器件的相应IGBT位于另一个模块上，这使得该解决方案在快速导通时具有很强的鲁棒性；这两种结构都将所有组件都集成在一个模块内，如果在两个模块之间分配，两个模块的电气接口的电感会在关闭时引起过电压，从而降低快速元件的利用率。

图10 支持新型拓扑的2x[升压+半波逆变器]功率模块

因此，用于单相太阳能逆变器的新型三电平拓扑结构正在扩展成可用的解决方案，如HericTM或H5拓扑。新拓扑结构能够用于实际功率和无功功率模式。提供两种不同的电源模块概念。

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全部评论（4）

水缸里的鲤鱼 Lv7. 资深专家 2018-10-26

学习一下
万先生 Lv7. 资深专家 2018-10-16

不错
快乐 Lv4. 资深工程师 2018-10-16

学习了
当年我挺瘦 Lv5. 技术专家 2018-10-16

学习了,不知道有没有知识产权风险

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产品型号	品类	SUB-TOPOLOGY	PRODUCT LINE	VOLTAGEIN（V）	CURRENTIN(A)	MAIN CHIP TECHNOLOGY	HOUSING FAMILY	HEIGHTIN（mm）	ISOLATION
V23990-K429-A40-PM	IGBT功率模块	CIB-KE-NTC	MiniSKiiP® PIM 3	1200	75	IGBT4	MiniSKiiP® 3	16	Al2O3

选型表 - VINCOTECH 立即选型

产品型号	品类	产品状态	拓扑	电压(V)	电流(A)	模块高度 (mm)	晶圆工艺	封装
10-0B06PPA004RC-L022A09	SiC功率模块	Series production	PIM+PFC(CIP)	600V	4A	17mm	IGBT RC	flow 0B