【应用】IGBT功率模块充分利用三电平NPC拓扑，成为太阳能、UPS和蓄能应用的热门选择

选择太阳能、UPS和储能应用的芯片组时，为什么目标要求至关重要？

目前三电平NPC拓扑是太阳能、UPS和蓄能应用的热门选择。选择功率模块的组件时，每个应用自身独特的要求都起着关键作用，因此通用标准芯片组并非总是最佳的解决方案。本文将着眼于两种芯片组组合，重点阐述理解目标参数对芯片和模块选择影响的重要性。

中点钳位式（NPC）拓扑结构是在20世纪80年代早期提出的 [1]，但直到2000年末的太阳能热潮兴起，这种拓扑结构才被广泛应用于功率模块，例如VINCOTECH在2008年推出的flowSOL0-NPI系列 [2]。650 V IGBT技术的发展极大地促进了这种拓扑结构的进一步应用，包括太阳能、UPS和储能应用领域。

虽然这些应用具有一些相似的特性，但它们的要求却不尽相同。选择组件时必须考虑这些差异。没有哪一种标准芯片组解决方案可以在所有应用环境中实现成本和性能之间的平衡。但是，为具体应用量身定制的芯片组合有助于实现最具竞争力的解决方案。

图1显示了NPC拓扑的开关对，每种模式具有以下组件：降压模式：T11-D11; T12-D12升压模式：T13-D13 ; T14-D14

图1：具有开关对的NPC拓扑

在输出单位有功功率（cos(φ)= 1）时，降压IGBT和二极管之间发生换向，而升压IGBT在其相应正弦半波持续导通。这个工作点需要考虑两点：

首先，对于降压组件的选择，必须考虑到目标频率在导通损耗和开关损耗之间的最佳权衡。另一方面，应尽可能降低升压IGBT的饱和电压，以最大限度地减少导通损耗。

在单位负有功功率（cos(ϕ)=−1，系统工作在能量回馈状态且功率因数为1）时，NPC作为功率因数校正器（PFC）运行，在这种情况下，升压部分开始换流，同时降压开关停止换流，降压部分的二极管只有导通损耗。这就是升压组件在选择过程中起主要作用的原因。同样，特定目标频率下的最佳芯片组合是开关速度和导通损耗之间的最佳权衡。

剩下工作的区间的开关模式，包括生产或者消耗无功功率(-1<cos(φ))<1)，结合了降压和升压模式。总体损耗被谁支配，取决于功率因数。这就是为什么寻找最佳组件时，需要考虑无功功率的容量。

图2概述了正半波的开关模式。

图2：NPC降压和升压模式切换为正半波

不同供应商已开发出新的650 V IGBT系列。极低的IGBT饱和压降、中速IGBT（大约50 kHz）和超快IGBT（高达100 kHz）可用于各种频率，所以有很多选择。大多数适用于NPC拓扑的应用的频率范围为16 kHz至32 kHz。低IGBT饱和压降和中速IGBT通常是满足这些性能要求的首选组件。

表1：100 A模块中的flowNPC 0芯片组

当涉及到二极管的时候，选择就更加多了，包括从具有低正向电压的整流二极管到具有低反相恢复损耗的超快速二极管。

虽然本文仅对Flow 0封装100 A功率模块中的两个芯片组进行了比较，但Vincotech可提供更多的组合。这些广泛的标准模块可满足每个客户和应用的要求。表1显示了为此处比较的模块选择的组件：

P927F58模块在所有位置都具有完全额定的快速组件。

这种组合可以在几乎恒定的效率下实现四象限运行。从一个开关对到另一个开关对的损耗波动取决于相位角。

P927F53模块的升压组件经过修改，可在正相有功功率的全范围下实现最高效率并降低成本。在此工作点，升压IGBT持续导通，仅有导通损耗，这种情况下，使用低饱和导通压降的IGBT可能能达到最有性能。该组件提供了一些无功功率，但开关损耗很快占主导地位，限制了相位角的范围。所有位置的反并联二极管都只有一半的额定电流，可以提供部分无功功率。但是这些二极管的反相恢复速度足够快，可以消除部分损耗和电压尖峰。

所选定的模块取决于应用的目标参数，如开关频率或无功功率容量。图3和图4分别显示了在16 kHz和32 kHz频率下的效率与输出相位角。随着相位角的增加，P927F53的效率显著降低，而P927F58在所有工作点上的性能几乎都是恒定的。

在16 kHz时，P927F53（即针对有功功率进行了优化的模块）在全有功功率下的效率提高了近0.1％。它提供了更好的性能，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结点温度上升到可能影响组件寿命的水平。此外，反向并联二极管的额定电流为IGBT的一半，所以其也会限制无功功率容量。 

图3：效率vs相位角;条件：700 VDC; 16 kHz; 230 VAC; 48 A（rms）

图4：效率vs相位角;条件：700 VDC; 32 kHz; 230 VAC; 48 A（rms）

当切换到32 kHz时，升压IGBT的损耗在较低的角度处占主导地位，使两个模块之间的交叉点降低至45°(cos(φ)≈0.7)。在单位有功功率下，P927F53的效率仍然提高了近0.1％。然而，IGBT结点和散热器之间的温差（ΔTj-hs）在45°的相位角已经达到40℃。此选项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可以进入零电压开关（ZVS）模式时，结果在低负载和电流过零点附近略有不同。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，将交叉点转换为较低的相位角。但是，该模块仍可在全有功功率下提供最佳性能。

另一个需要考虑的重要方面是成本。图5显示了两个模块的标准化成本比较。优化的模块显然具有显著的成本优势。

图5：P927F53和P927F58的标准化成本比较

比较性能和成本后，最终决策将取决于应用的要求和每个客户的特定目标参数。

P927F58在设备需要具有全无功功率或能够在所有四个象限中高效工作的应用中，在效率和成本之间实现了良好的平衡。这可能是储能系统或具有较宽无功功率范围的UPS的情况。

另一方面，当主要目标是在有功功率下实现最高效率且器件不需要全无功功率输出要求时，P927F53在成本和性能方面具有更大的优势。现代数据中心的太阳能光伏逆变器和UPS就属于这种情况。

市场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。了解每个应用和客户的目标要求，对于为每个应用找到最具竞争力的解决方案至关重要。通用标准芯片组并非总能提供最佳结果。也正是因此，在功率模块中，定制型应用解决方案和灵活的设计可以为客户的最终产品带来附加价值。

作者：Vincotech GmbH，

产品营销经理Guillem Gargallo Pallardó

翻译校对：Vincotech，应用工程师 Warren Wang