当电能质量和效率是电力电子应用的驱动因素，则三电平拓扑就是其中的关键，尤其是在可再生能源领域的应用。三电平拓扑结合最新的第七代IGBT产品，确立了新能源应用的新基准。

作者：赛米控电子有限公司Bernhard Eichler

赛米控电子（珠海）有限公司Andreas Giessmann

在过去的几个月里，SEMIKRON从两家不同的制造商引进了950伏和1200伏第7代IGBTs。两个第7代IGBTs都比以前的版本有了根本性的改进。由于采用了新的芯片设计，在所有电流等级中，芯片尺寸平均缩小了25％。这样可以在现有模块外壳中提供更高的标称电流，从而获得更高的电流密度，并使饱和电压Vce(sat)降低约20％。

第7代IGBTs的另一个重要新特性是能够在更高的结温下工作。最大结温保持在Tj,max= 175℃，允许连续运行结温最高可达Tj,op= 150℃；但是，IGBT 7 150℃至175℃的短期运行可以在保持20%占空比条件下长达1分钟。如此一来，例如，无需额外的设计储备，即可覆盖110％的一分钟长的逆变器过载。

图1: NPC和ANPC拓扑

新一代芯片可实现紧凑型逆变器，并具有前所未有功率密度。尤其是新型950V IGBT，适用于高开关频率并且具有优化的Vce(sat)，非常适合在高达1500V直流的三电平拓扑中使用。

适用于1500V直流太阳能应用的三电平拓扑

在1500V直流应用中，最常见的拓扑是中性点钳位（NPC）和有源中性点钳位（ANPC）。与NPC相比，ANPC有两个额外的开关器件，它们具有更高的自由度，但是需要两个额外的T5和T6驱动（图1）。

ANPC存在不同的开关模式。两种流行的开关模式是(图2):

• 高频/低频（HF / LF）开关模式

• 低频/高频（LF / HF）开关模式

图2: ANPC低频/高频和高频/低频开关模式

两种开关模式在输入和输出级的操作方式上都不同。在低频/高频模式下，输入级以低开关频率开关。通常，该开关频率等于市电频率，即50/60Hz。相比之下，输出级在KHz范围内以高频开关。高频/低频模式以相反的方式操作。

图3:换流路径ANPC 低频/高频

图4:换流路径ANPC高频/低频

不同的开关模式导致换流路径的不同。图3和图4显示并比较了换流路径和相位支路设计的结果。

换流路径ANPC低频/高频(图3):

输入级：在输入级的一半（较小的路径面积）内发生低频换流。输出级：在输入级和输出级间发生高频换流（大换流路径面积）。需 要高栅极电阻来降低过电压。结果：相位支路电路应限于一个电源模块，以缩小长换流路径，或者相位支路应被分成两个电源模块，同一换流路径的所有开关保持在同一封装内。

换流路径ANPC高频/低频(图4):

输入级：高频换流发生在输入级的一半内（较小的路径面积）。低栅极电阻是可能的。输出级：低频换流发生在输入级和输出级之间(大换流面积)。由于开关频率低，因此可以使用较大的栅极电阻来最大程度地降低过电压。结果：相位支路可以设计在一个模块、两个分离模块或三个半桥模块内。

决定NPC、ANPC高频/低频还是ANPC低频/高频拓扑最适合哪种应用，其主要取决于可用芯片技术、功率因数范围和开关频率。例如，结合SiC器件的950V第7代IGBT完美匹配与高开关频率的光伏（PV）和储能应用（ESS）应用。

新型950V第7代IGBTs

赛米控在不同的芯片类型和外壳中使用了新型的第7代IGBT。在950V级中，有两种不同的芯片类型可供选择:“L7”版本针对最小传导损耗(即最小Vce(sat))进行了优化，应用于长电流超前且只有少量开关操作的地方，例如ANPC拓扑的低频级。相比之下，针对最小开关损耗优化的“S7”类型非常适合高频元件。另外，950V IGBT的性能要优于1200V IGBT。

一般来说，标称电压较低的IGBTs开关损耗也较低。同时，950V的阻断电压足以支持针对1500V直流设计的应用。

搭载SiC MOSFET和950V第7代IGBT的分离式ANPC拓扑

将要讨论的第一个模块外壳是Split ANPC拓扑中的SEMITOP E2，针对低频/高频开关模式进行了优化（图5）：一个相位支路分为两个SEMITOP E2模块。形成一个换流路径的元件位于同一模块中，以降低换流电感。

L7 950V IGBT（低VCE，sat）用于低频/高频 ANPC的输入级，以电源频率开关。在这种情况下，输出级包括极快速开关的SiC MOSFET和SiC肖特基二极管。这允许40KHz及更高的开关频率。凭借其200A的额定值，该组合可实现高达200kW的输出功率，在基于PCB的完整系统设计中，效率高达> 99％。不需要电源模块的进一步并联。

使用该新芯片技术的第二个SEMIKRON模块是MiniSKiiP 3 MLI（图6）。这种3电平NPC模块完全基于硅元件，并包含一个额定电流为400A的全相位支路。与SEMITOP E2一样，此版本使用低VCE，sa的L7 950V IGBT，用于慢速开关位置，与此同时S7高速IGBTs用于快速开关。

图5:分离ANPC拓扑和SEMITOP E2电源模块。换流组件都在同一个模块内

在实际应用中比较NPC和ANPC

光伏应用主要在功率因数PF或cosphi为0.8至1.0的情况下运行。这意味着能量流是单向的，从太阳能电池板通过逆变器到达电网。在NPC拓扑中，外部开关T1和T4主要产生开关损耗，并以较高的开关频率工作（S7 IGBT）。内部开关T2和T3主要产生传导损耗(L7 IGBTs)。

图6：MiniSKiiP MLI 400A中的全NPC相位支路

具有双向能量流的应用（例如能量存储系统），需要针对整个功率因数范围进行优化的芯片组。在电池充电期间，PF=-1,此时能量从电网流向逆变器，而当电池放电时，PF=1，能量从逆变器流向电网。与NPC相比，在ANPC拓扑中，换流路径不会随功率因数的变化而变化，并且可以在整个功率因数范围内使用。赛米控还为此提供MiniSKiiP 3封装（Icnom = 400A）的ANPC解决方案。

图7将NPC和ANPC高频/低频模块的效率与功率因数进行比较，这两个模块都针对光伏应用进行了优化。在PF = 1时，由于换流路径和该工作点处的有源芯片相同，因此NPC与ANPC-高频 / 低频具有相同的效率。

PF小于1时，由于内部开关T2 / T3中的开关损耗，NPC的效率下降。就性能而言，ANPC-高频 / 低频在整个功率因数范围内显示出最高的效率。但是这是以另外两个开关和驱动器为代价的。有鉴于此，考虑到光伏应用中的功率因数范围为0.8…1以及易于控制，NPC可以替代ANPC-高频 / 低频。

两种类型在全硅中均可实现高达200kW的输出功率，在NPC拓扑中D5 / D6位置使用的SiC肖特基二极管的混合SiC中，则可实现高达250kW的输出功率。为了获得更高的功率输出，这些模块也可以并联连接，从而无需使用昂贵的SiC器件即可进行交错式运行，从而使输出频率> 30 kHz。

图7: NPC和ANPC 高频 / 低频的功率因数效率

适用于高功率应用的三电平拓扑结构

三电平拓扑在高功率转换器中也具有明显的优势，例如在500 kW的兆瓦级风能和太阳能应用中。一方面，由于使用了最新的第7代IGBT技术和较低的IGBT阻断电压，效率显著提高。在风力涡轮机中，这将减少大约38%的半导体损耗。另一方面，可以充分利用低压指令中规定的电压范围，该范围允许高达1000V交流和1500V直流的系统设计。由于较低的总电流以及高达40%的电缆损耗或较低的电缆成本，这使得系统成本显著降低。

对于这些大功率应用，由于开关过程中需要的电压裕量，因此必须使用1200V组件。

SEMITRANS 10 MLI 1200A于2017年推出，是赛米控在光伏逆变器应用中的重要里程碑。在第7代IGBT中实现的芯片体积减小使SEMITRANS 10 MLI 1400A添加到产品组合中。该模块不仅提高了效率和额定电流。实际上，由于优化了钳位二极管，现在还可以在-1至+1的整个功率因数范围内使用该模块。这对于风力发电应用至关重要，在风力发电应用中，发电机侧逆变器总是以负功率因数运行。

比较大功率应用的不同NPC设计

除了SEMITRANS 10 MLI，还可以使用标准半桥模块达3电平NPC拓扑。以1 MW设计为例，以下段落详细概述了这些设计的优缺点(见图8)

SEMITRANS 10 MLI，每相支路2个模块：

这种类型是唯一允许NPC拓扑仅需要两个模块一起组成的类型，从而产生最大功率密度。此外，该设计仅需要两个驱动器板和仅三层的简化直流母线连接。另一个优势在于功率因数低于1时的运行。由于换流路径仅散布在两个模块中，杂散电感约为60nH，因此该设计对于快速开关并降低损耗至关重要。

由于直流母线和交流连接都是叠层结构，因此可以实现低换流电感。该解决方案的另一个优点是电流分布到两相支路模块的交流端子，这大大降低了端子连接上的热应力。

SEMiX 3 Press-Fit半桥，每相支路6个模块：

为了覆盖与SEMITRANS 10 MLI相同的功率范围，最少需要六个SEMiX 3 Press-Fit模块（1200V / 600A），因此也需要更多的栅极驱动元件。每相模块的物理布置没有办法让直流电位与交流电位相重叠，因此限制了在NPC拓扑中，减少换流电感的可能性。尤其在负功率因数运行下通过三个模块换流时，这会对发电机的运行产生特殊影响，并导致超过200nH的极高电感值。在风电或ESS等应用中，这使得该模块组合的使用变得有些关键，这意味着需要高输出功率降额。此外，模块并联可能需要预先选择模块或交流扼流圈，以减少模块间的电流不平衡。

图8：具有SEMITRANS 10 MLI，SEMiX 3 Press-Fit半桥和SEMITRANS 10半桥的NPC拓扑比较

SEMITRANS 10半桥，每相支路3个模块：

与SEMiX 3 Press-Fit一样，也可以使用标准SEMITRANS 10半桥模块来设计3电平NPC电路。此处，换流也发生在3个模块上，由于模块并排排列，直流与交流端子同样可以通过母排的叠层结构设计。但这样做仍然会导致最长换流路径的漏电感约为100nH。

除了上面显示的NPC拓扑外，还可以基于标准的半桥模块来实现ANPC 高频/低频拓扑。如以上关于MiniSKiiP模块所述，其优点是换流路径相同，而与功率因数无关。在高频/低频版本中，快速换流发生在单个模块内，这使得SEMITRANS 10封装中的低换流电感仅为24nH。但是，此解决方案的一个缺点是，与SEMITRANS 10 MLI相比，这3个模块需要更大的空间，并且控制栅极驱动器和直流母线连接的复杂性更高。

结论:

新型第7代IGBT芯片进一步提高了3电平应用的功率密度。这适用于使用新型第7代 950V IGBT的基于PCB的系统，以及具有1200V组件的大功率应用。由于不同的三电平拓扑各有优缺点，因此必须根据既定的应用和所需的工作点来选择拓扑和相应的芯片组。SEMITRANS 10 MLI尤其在多兆瓦的风能和太阳能应用中实现了最佳的性能，功率密度和系统成本。