【选型】Vincotech为不同的三级NPC拓扑应用量身定制最佳的IGBT功率模块解决方案
三级NPC拓扑结构是太阳能,UPS和储能应用的热门选择,但是在选择功率模块的组件时,每个应用要求都不一样,所以通用标准芯片组并不能在成本和性能之间取得适当的平衡,而为每种应用量身定制的芯片组合可以获得最佳的解决方案。
图1显示了一个NPC拓扑的交换对,每个模式具有以下组件:
降压模式:T11-D11;T12-D12
升压模式:T13-D13;T14-D14
图1:具有切换对的NPC拓扑
在全正有功功率(cos(φ)=1)时,降压型IGBT和二极管之间发生换向,而升压型IGBT在正弦波的一半永久导通。对于这个工作点,有两点需要考虑:首先,必须选择降压元件,同时应考虑目标频率的传导损耗和开关损耗之间的最佳权衡。另一方面,升压IGBT应具有尽可能低的饱和电压,以最大限度地降低传导损耗。
在全负有功功率(cos(φ)=-1)下,NPC作为功率因数校正器(PFC)工作,在这种情况下,升压元件在降压开关断开时整流,并且降压二极管的损耗完全下降到传导损耗。这就是升压组件在选择过程中起主要作用的原因。并且,给定目标频率的最佳芯片组合是在速度和传导损耗之间权衡的结果。
对于产生或消耗(1< cos(φ)<1)无功功率的其余工作点的开关模式结合了降压模式和升压模式。功率因数决定了整体损耗的主要因素,所以在寻找最佳组件时要考虑无功功率。
图2 正半波的NPC降压和升压模式切换
比较和选择芯片组
VINCOTECH(威科)推出可用于各种频率的650V IGBT系列,极低Vce_sat IGBT,中速IGBT(大约50kHz)和超快IGBT(高达100kHz)。适合NPC拓扑的大多数应用的频率范围为16至32kHz,所以低Vce_sat IGBT和中速IGBT通常是满足这些性能要求的首选组件。当涉及到二极管时选择更多,从低正向电压整流二极管到具有低恢复损耗的超快二极管。虽然本文仅比较flow0封装的100A功率模块中的两个芯片组,但Vincotech提供了更多组合。这些广泛的标准模块可满足每个用户和应用的要求。表1显示了flow0封装的100A功率模块选择的组件。
表1:100A模块中的flowNPC 0芯片组
IGBT功率模块P927F58在所有位置都具有完全额定的快速组件。这种组合可以以几乎恒定的效率实现四象限运行,损耗从一个开关对到另一个开关波动(取决于相位角)。P927F53模块的升压组件已被修改,这样可以在全正有功功率实现最大效率并且可以降低成本。在这个工作点上,升压IGBT是永久开启的,并且只产生传导损耗,因此低Vce_sat开关将获得最佳性能。反并联二极管(D13-D16)在所有位置都具有额定电流的一半,以此来满足无功功率。这些二极管恢复得足够快,就可以避免非常高的损耗和电压尖峰。
模块的选择取决于应用的目标参数,如开关频率或无功功率。图3和图4分别示出了16kHz和3kHz的效率与输出相位角。P927F53的效率随着相位角的增大而显著降低,而IGBT功率模块P927F58在所有工作点都有几乎恒定的性能。
图3:效率与相位角;条件:700VDC;16kHz;230 VAC;48A(rms)
图4:效率与相位角;条件:700VDC;32kHz;230VAC;48A(rms)
在16kHz时,P927F53(针对有功功率进行了优化)在全有功功率下的效率提高了近0.1%。其一直有较好的性能,直到相角为60°功率(cos(φ)=0.5),此时低Vce_sat IGBT增加的开关损耗开始占主导地位。在较高的相位角(较低的cos(φ)),IGBT的结温可能上升到影响元件寿命的水平。此外,反并联二极管的额定电流为IGBT的一半,因此它们也会限制无功功率。
当开关频率为32kHz时,升压IGBT的损耗在较小的角度处占主导地位,使两个模块之间的交叉点减小到45°(cos(φ)=0.7)。在完全有功功率下,P927F53的效率仍然提高了近0.1%。 然而,IGBT结和散热器之间的温差(ΔTj-hs)已经在45°的相位角达到40℃。此选择的可行性还取决于所选封装或散热器消除损耗的能力。
当IGBT可以达到零电压开关(ZVS)模式时,在低负载和电流几乎过零点时,结果略有不同。在这个工作点,即使在全有功功率下,升压IGBT也会产生额外的开关损耗。采用慢速升压IGBT的P927F53模块的效率进一步下降,将交叉点转移到较低的相位角。但是,该模块仍可在完全有功功率下提供最佳性能。
另一个重要的考虑因素是成本。图5显示了两个模块的成本比较。优化模块显然具有显著的成本优势。
图5:IGBT功率模块P927F53和P927F58的标准化成本比较
比较性能和成本后,最终选择将取决于应用的要求和每个用户的特定目标参数。
P927F58在效率和成本之间具有良好的平衡,用于需要具有全无功功率或者能够高效地在四个象限中工作的应用,例如能量存储系统或具有较宽的无功功率范围的UPS。P927F53在成本和性能方面具有更大的优势,用于在有功功率下实现最高效率且器件不需要完全无功功率时。例如用于现代数据中心的太阳能光伏逆变器和UPS。
Vincotech提供各种各样的组件,可以在NPC拓扑中以多种方式组合,实现不同的结果。
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