采用SiC等新技术以及实施 1500 VDC 系统使光伏逆变器市场的功率密度更高。轻巧紧凑的壁挂式设备现在可以覆盖曾经需要一整柜组件才能覆盖的功率范围。这就是多串逆变器成为公用事业规模市场中一股新兴力量的原因。
不利的一面是，这些新设备的每千瓦价格仍然高于集中式逆变器。原因之一是电力电子的强劲需求。这使得一些关键部件的供应达到极限，使 SiC 等新技术的价格水平高于初的预期。这为充分利用成熟且具有成本效益的 Si 技术的创新解决方案敞开了大门。
适用于 1500 VDC 系统的带有串联二极管的 NPC 拓扑
中性点钳位 (NPC) 拓扑是 1500 VDC 系统的之一。与替代的三级混合 NPC (MNPC) 拓扑相比，使用在 10 至 20 kHz 频率范围内工作的快速 1200 V Si 组件的可能性具有明显的优势。MNPC 需要 1700 V 组件，但这些组件不适合目标开关速度。
提高 NPC 拓扑效率的个选择是用更高效的 SiC 芯片技术取代关键的 Si 元件。这种升级的成本更高。增加开关频率以适应更小且通常更便宜的无源元件可以抵消部分（但不是全部）增加的成本。在大多数情况下，更昂贵的半导体将提高每千瓦的价格。
提高效率的第二种选择是使用更复杂的拓扑结构，例如 NPC (ANPC) 或与 SiC 元件结合的多层拓扑。这需要更多的栅极驱动器和电源，这会使设计工作复杂化并增加成本。
那么，如何以可接受的成本提高效率呢？一个可行的解决方案是采用串联二极管配置，即用两个串联连接的速度快得多的 650 V 二极管替换速度相对较慢的 1200 V 二极管。虽然二极管的正向电压会略有增加，但 650 V 二极管的卓越动态特性即使在低开关频率下也能在总损耗方面提供优势。在太阳能应用中，相关的效率点是 cos(Φ) 接近 1，只需将 NPC 的降压二极管替换为串联二极管，如图 1 所示。
图 1：带有串联二极管的 NPC 拓扑
图2比较了16 kHz下具有不同降压二极管的各种NPC模块的损耗分布。
图 2：具有不同降压二极管的 NPC 模块的损耗细分和比较。条件：P = 120 kW / cosΦ = 1 / VIN = 1300 V / VOUT = 400 V / IRMS = 100 A 这表明，当使用 1200 V 快速 Si 二极管时，总损耗的近 30% 与其开关性能直接相关。此外，这些二极管还会影响外部 IGBT 的动态行为，因为它们是造成 EON 损耗的部分原因。
这会降低效率并增加受影响组件的结温，缩短其使用寿命并阻碍更高的开关频率。用 1200 V SiC 二极管（即所谓的混合模块）替换这些二极管，可将总损耗降低 40%，二极管的开关损耗将大幅下降 95%。更低的 EON 还可使降压 IGBT 的开关损耗降低 30%。然而，如图 3 所示，这种改进对模块成本有相当大的影响，模块成本是全 Si 模块价格的两倍
图 3：采用不同降压二极管的 NPC 模块的标准化成本比较
用串联二极管替换 1200 V Si 降压二极管只会使静态损耗增加 5%。另一方面，二极管和IGBT开关损耗分别减少 80% 和 21%，足以弥补静态损耗的轻微上升，从而导致损耗总体下降 25%。如图 3 所示，此建议解决方案与标准 NPC 模块之间的成本差异几乎可以忽略不计。这使得串联二极管成为改进 NPC 模块的一种非常有吸引力的方式。
串联二极管配置损耗较低的另一个优点是可以提高开关频率。例如，采用串联二极管开关频率为 20 kHz 的 NPC 模块将实现与采用快速 1200 V 二极管开关频率为 8 kHz 的 NPC 模块相同的效率。这将使工程师能够使用更小的无源元件并构建更轻更紧凑的设备。
结论 在竞争激烈且供应驱动的市场中，带有串联二极管的 NPC 拓扑为多串太阳能逆变器提供了可靠且经济高效的解决方案。由于效率接近混合 SiC 模块，且价格与全 Si 器件相当，它不仅使逆变器制造商能够制造更轻、更紧凑的设备，而且还能限度地提高这些供应商及其客户的投资回报率。
