【经验】700V DC-link三相逆变器的替代方案，效率高达98.04%

时间： 2018-12-11 来源：Vincotech

技术问答

在电力电子领域能源效率变得越来越重要。在许多应用中，降低能耗一直以来都是不断追求的目标，太阳能市场中的逆变器应用在降低能耗方面在业界有着领先的技术。本文介绍了700V DC-link三相逆变器的替代方案。NPC和半桥的正弦输出电流和电压相同，差别在于产生信号的方式，通过举例来对比说明。

（1）具有700V直流电压（+/-350V）的逆变器产生具有400V_AC相间的3相输出信号。具有3个半桥的标准拓扑将电压从+350V切换到-350V。这个操作需要1200V元件。但是他有一些缺点：开关损耗是700V和输出电流的乘积；1200V组件慢于600V组件；输出电压纹波高。

（2）具有3个NPC桥的NPC逆变器将电压从+350V切换到0V（正半波）或从-300V切换到0V（负半波）。这里只需要600V元件。相比于标准半桥有几方面优点：动态损耗明显降低，仅需要切换350V；600V组件更快，且有很多超快组件可用；输出纹波低。

图1：实际功率下3电平逆变器的门信号。

T3在输出信号的正半波期间接通，而T4在输出信号的负半波期间接通。PWM用T1和T2调制（见图1）。当T1在正半波期间关闭时，电流将从中性点通过D1换向到输出。负路径完全无效。在负半波，有相同的负电流，但这里是T1和T3无效。可以看出NPC拓扑有以下几个优点：

1、减少开关损耗：只有一半的电压需要切换，这一半也是晶体管的开关损耗。在所示的NPC拓扑中采用更快的600V组件而不是1200V组件，这将导致开关损耗的进一步降低。

2、较小的输出电流纹波：NPC拓扑结构具有较低的输出电流纹波，且只有一半的输出电压瞬态，这将减少滤波电感器中滤波和隔离的工作量。

3、共用总+/-电源电压:直流电压分为正电压和负电压，支持直流电容器串联连接，无泄露补偿问题。

除了上面这些优点，NPC拓扑也有一些缺点存在，比如需要处理10个组件（标准半桥拓扑是4个），NPC拓扑需要4个独立的栅极驱动器，而标准半桥拓扑只需要2个。NPC拓扑结构具有更高的复杂性，这使得电路对寄生效应更敏感。为了避免这些缺点，必须更加注意模块设计。功率模块电路的电感主要受半导体的引线键合和外部互连的影响。功率模块内部的感应回路很大程度上被引入模块背面金属化的涡流消除。实际功率下的电流和换向回路如图2所示。

图2 实际功率下的电流和换向回路

图3 无功功率下的电流和换向回路

寄生效应会增加晶体管的关断损耗。因此，设计目标是使DC+、DCN和NP之间的电感最小。图4表示NPC功率模块的寄生效应。

图4 1200V-300A flowNPC 2模块的寄生电感

模块的钉扎是降低模块外寄生电感的关键。VINCOTECH推出的另一款flowNPC 0系列功率模块10-PZ07NIA075S5-P926F53Y，额定功率达到1200V/75A，采用flow 0封装。这款功率模块采用了英飞凌最新一代IGBT技术-IGBTS5。图5显示了一个低电感NPC 系列功率模块的钉扎。在这里，NP在模块两侧建立一个低电感对，一侧DC+，另一侧DC-。

图5：低电感1200V-75A flowNPC 0系列功率模块的钉扎

在下面我们对拓扑做了一个基准测试。将标准半桥(图6)与本文讨论的NPC拓扑(图7)和混合电压3电平拓扑(图8)进行比较，比较条件如下:

•每相4,6kW静态负载（25A）

•700V直流电压（3电平2*350V）

•输出频率50Hz

•调制频率=16kHz

•硬开关环境

•正弦输出电压波形（230V_AC）

•正弦输出电流波形

•Cosfi=0.8

•17.2kVA三相电源

（1）3相逆变器的标准配置是3个半桥，包括第二代1200V沟槽场截止IGBT，带有相应的续流二极管。结果如下：

传导损耗：36W

开关损耗：118W

总损耗：154W

效率：96.65％

Si总额定值：720kVA

图6：具有3个半桥的标准逆变器

（2）NPC拓扑包括第一代600V沟槽场截止IGBT，带有相应的续流二极管。结果如下：

传导损耗：62W

开关损耗：28W

总损耗：90W

效率：98.04％

Si总额定值：900kVA

图7 NPC拓扑

（3）混合电压3电平拓扑结合了半桥解决方案的低导电损耗和仅在DC+/-和NP之间切换的优点。外部晶体管必须额定为1200V，这将开关性能降低到1200V元件所提供的水平。基准测试中使用的元件是用于外部开关的高速1200V IGBT和续流二极管，以及用于NP开关的第一代600V沟槽场截止IGBT和相应的续流二极管。结果如下：

传导损耗：50W

开关损耗：40W

总损耗：90W

效率：98.04％

Si总额定值：1080kVA

图8：混合电压3电平拓扑

比较表明，与标准3相桥的96,65％相比，3电平拓扑结构的效率可达到98,04％。标准半桥容量为720kVA，而NPC为900kVA。NPC的组件将保持低温，因此在Tjmax进行比较将表明组件可以在更高的电流下使用。通过在相同功率下将芯片尺寸优化到相同的Tjmax，NPC模块的成本将显著低于标准半桥组件。NPC模块最重要的优势是降低EMC和提高效率。混合电压3电平拓扑实现了与标准NPC相同的效率，但是与NPC的900kVA相比，它必须为1080kVA的半导体提供更高容量。

Vincotech推出的flowNPC 2系列功率模块30-FT07NIB300S502-LE06F58可用于NPC拓扑，击穿电压高达1200V，额定芯片电流为300A，能够提供高达50kHz的开关频率。当使用SiC时，可以在8至10kHz以上提供最佳性能。这款功率模块采用了英飞凌最新一代IGBT技术-IGBTS5，具有高速平稳的开关切换性能以及极低的集电极发射极饱和电压。

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