更高效的三电平逆变器

更高效的三电平逆变器 Efficiency boost with 3-level power modules

适合50A 到400A/600V 集电极-发射极耐压的应用

Norbert Pluschke，赛米控大中华区技术总监 Thomas Grasshoff，赛米控国际产品管理经理

当提到为全球能源供应创造一个新基础时，当提到为全球能源供应创造一个新基础时，可再生能源的使用是其中的一个关键问题。可再生能源的使用是其中的一个关键问题。风力发电至今已使用了20多年，这一领域的技术进步使得效率和可靠性得到了长足的改善。这一领域的技术进步使得效率和可靠性得到了长足的改善。风力发电机组的输出功率不断地增加。风力发电机组的输出功率不断地增加。目前正从2MW WPU转换到3MW WPU。

与风电变流器不同，集中型太阳能逆变器担负着巨大的技术优化潜力。目前，光伏系统担负着提高太阳能电池板以及整体系统设计效率的最大潜力。

对于250kVA 以下的应用，存在一些不同的光伏逆变器概念，类似于10kVA 以下应用所用的串式逆变器。为了提高效率，使用了更高的开关频率。这样做是为了减少通常所说的铜损 (更少的铜和更小的尺寸) 并提高整体效率。光伏组件的串联可使系统中的直流电压增大，从而减少损耗。

更高的开关频率在IGBT 中产生更高的损耗，从而降低了太阳能逆变器的效率。最先进的IGBT 允许175度的结温。然而，结温从150上升到175度，也使集电极-发射极电压（正温度系数的IGBT ）更高，这又进而影响了效率因子。因此，需要在电路尺寸方面进行折衷，找到在这些相互冲突的物理效应中最优的结果。

用于高开关频率的三电平模块

赛米控系列产品包括用于高频应用的三电平模块。过去设计一个三电平逆变器，不得不使用半桥或斩波模块。现在，将单相集成在一个独立模块使得驱动器的概念更为简单，并且对于三电平逆变器来说整体方案的成本更低。在模块的开发过程中，重点放在内部芯片排列的设计以及器件内部对用户友好的连接上。赛米控模块适于50-400A 、集电极-发射极阻断电压为600V 的应用。该模块的一个特点是集成了高速钳位二极管。

对于DC/AC转换器来说，两电平和三电平逆变器在功能上是类似的。（图 1）这两种系统都可以将直流电压产生可变的频率和电压。这两种逆变器的主要区别在于所需IGBT 、二极管和电容器的数量。

图1：对于DC/AC转换器来说，两电平和三电平逆变器在功能上是类似的。两种系统都可以将直流电压产生可变的频率和电压。

NPC 拓扑（中性点钳位）中的三电平包括4个串联的带相应续流二极管的IGBT ，以及用于连接分离直流环节电路的2个钳位二极管。两电平逆变器有一个两状态输出级，而三电平逆变器可以有三个状态。不同于两电平设计中的IGBT 必须切换整个直流环节电压，三电平架构中，IGBT 上只需切换一半的直流环节电压。必须设计直流环节电容器，它可以使直流环节的电压减小一半。在三电平中，存在着不同的换流路径。短的换流路径位于钳位二极管和连接直流环节电路的IGBT 之间，而长的换流路径则通过三个串联的IGBT 和钳位二极管。为了做到这一点，需要短的电流路径和对称的内部模块布局。这是产生低的开关过电压和使用高直流环节电压以实现高效率因子的唯一途径。

新三电平IGBT 模块设计用于紧凑型、低电感三电平逆变器。开发新模块时，我们借鉴了在设计标准IGBT 模块方面的经验。内部的芯片排列基于一个聪明的DBC 设计（图2），确保了换流路径的杂散电感非常小，并且最外层的IGBT 对称放置，以保持换流电感对称。

图2：内部的芯片排列基于一个聪明的DBC 设计，确保了换流路径的杂散电感非常小，并且最外层的IGBT 对称放置，以保持换流电感对称。

另一个优点是三电平模块的主端子布局，可以很容易地实现低电感三电平逆变器的设计（图3-150kVA 三电平逆变器的布局）。三电平模块采用600V IGBT （未来计划采用650V IGBT ），其特点是开关损耗小和正向电压低。表1给出了IGBT 数据的直接对比。可以看到，在更高的开关频率上，600V IGBT 的损耗低于 1200V 或1700V 的IGBT 。这里也要考虑到栅极电阻。

图3：150kVA 三电平逆变器的布局。三电平模块采用600V IGBT （未来采用650V ），特点是开关损耗和正向压降小。

为什么三电平逆变器如此重要？为什么三电平逆变器如此重要？

转向采用更高开关频率，降低了太阳能逆变器或UPS 转换器对输出滤波器的要求，从而可以实现结构紧凑且廉价的系统设计。较小的电流伴随着较高的直流环节电压，降低了整个系统的损耗。虽然三电平架构要求更复杂半导体，但对扼流和滤波电容器的要求低。成本比较表明，将每相集成于一个模块的方案比采用几个模块方案的成本低。

三电平中的栅极驱动对驱动器（驱动12个而不是6个 IGBT ）和反应时间的要求更高。具体来说，三电平逆变器所选的IGBT 驱动器反应时间必须短，以保证高开关频率。死区时间短，可减少系统的非线性和控制器的工作量。

驱动器中的保护概念是容易实现的，直接的桥路短路永远不会发生，因为顶部和底部的IGBT 同时开关。外部IGBT 的驱动器应该具有监测功能，内部IGBT 可使用简单的IGBT 驱动器。然而，非常重要的一点是三电平逆变器中IGBT 的导通顺序要进行监测，以确保整个直流环节电压不能被施加到单个IGBT 上。分立保护概念很容易实现。

相比两电平逆变器，三电平逆变器需要更加复杂的直流环节电压监测，因为直流环节电路实际上被分成了两个中间电路。

得益于高开关频率的要求，迫使开发工程师考虑三电平概念，使得对高效率和减少滤波器的需求得以实现。

开关频率为10kHz 以上时的逆变器损耗对比清楚地表明了三电平概念的好处（见表1）。得益于低开关损耗，IGBT 的结温也降低了。

传导损耗 IGBT 传导损耗 IGBT 开关损耗 IGBT 开关损耗 IGBT

损耗总计 IGBT 损耗总计 IGBT

IGBT: 每臂的损耗总计

钳位二极管 传导损耗 开关损耗

每个二极管的损耗总计 钳位二极管的损耗总计

IGBT: 每臂的损耗总计 每个逆变器的损耗总计

IGBT 的结温 二极管的结温

三电平逆变器 三电平逆变器

两电平逆变器 两电平逆变器

SKM 150 MLI 066 T

Q1/Q4 Q2/Q3 Q1/Q4 Q2/Q3

Q1/Q4 Q2/Q3

D5/D6

88,1 W 118,8 W 18,1 W 可略过

106,2 W 118,8 W 450 W

56,6 W 13,6 W 70,2 W 140,4 W

590 W

SKM 400 GB 12 E4

Q1/Q2 Q1/Q2

Q1/Q2

61 W 226 W

288 W

576 W

31 W 89 W 120 W 240 W

816 W

1770 W

111° C 117°

2448 W

132 128

表1：开关频率为10kHz 以上时的逆变器损耗对比清楚地表明了三电平概念的好处。

在中等输出功率（250KVA ）的太阳能逆变器中，可以明显看到趋势是采用20kHz 以上的开关频率。在这一领域，未来会采用三电平拓扑结构，全球许多公司，特别是在亚洲，已经正在开发三电平解决方案了。

高开关频率也意味着高开关速度（du/dt），这意味着系统中的谐波失真必须使用复杂的滤波技术予以滤除。标准半桥电路中，800V 的电压可以在100ns 内进行切换，这相当于8kV/us的开关速度。三电平拓扑中，800V 的直流环节电压可在一半的时间内被切换，单独的IGBT 只切换一半的电压（400V ）。因此可以使用不太复杂的EMI 滤波器设计。

得益于将单相三电平集成进一个功率模块中，赛米控现在为复杂三电平逆变器的设计提供了极具吸引力的解决方案。10KVA 至250kVA 的驱动器是可能的，这种驱动器对UPS 系统和光伏应用都是理想的，在这些应用中，高效率和廉价的设计是至关重要的。