【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

时间： 2018-11-01 来源：Vincotech

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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。