在集中式光伏逆变器应用中，基于 1200 V IGBT 的 3 电平中性点箝位拓扑是一种流行的方法。然而，考虑到高额定电流、低杂散电感和广泛可用的标准化外壳的要求，找到合适的功率模块通常具有挑战性。因此，需要为 1500VDC 三电平集中式光伏逆变器提供智能解决方案。
通常，当使用多个标准半桥电源模块开发 3 电平 NPC 拓扑时，会出现问题。IGBT 模块的串联会产生高杂散电感，这与高开关 di/dt 相结合会导致高开关过电压 [2]。具有集成 NPC 拓扑相臂（包含 4 个 IGBT 和 6 个二极管）的 IGBT 模块可能具有较低的杂散电感，但不适用于高额定电流，并且由于内部电路复杂，成本更高 [3]。解决方案是将有源中性点钳位 （A-NPC） 拓扑与智能调制方案结合使用，从而能够使用半桥 IGBT 模块，例如新的事实上的标准（LV100 模块），而不会出现由高换向电感引起的开关过电压问题。
由于系统成本显著降低，1500 VDC 的直流电压近已成为公用事业规模光伏发电厂的标准。因此，必须选择合适的电路拓扑和半导体器件，能够处理集中式太阳能逆变器的 1500 VDC 直流链路，以满足与成本、效率、可靠性和电网谐波相关的要求。
2 电平拓扑结构不可取，因为考虑到瞬态过电压，1.7 kV IGBT 无法提供足够的故障裕量。此外，在这样的工作条件下，由于宇宙射线，1.7 kV IGBT 的故障率很高。更高电压的器件（如 3.3 kV IGBT）具有较低的宇宙射线感应故障率，并且还为瞬态过电压提供了足够的裕量。然而，3.3 kV IGBT 的开关和导通损耗不能满足与效率和开关频率相关的系统要求。优化的中间电压等级 IGBT 阻断能力在市面上无法支持 1500 VDC 应用。因此，在可再生能源应用领域，基于 1200 V IGBT 的 3 电平拓扑是当今直流母线电压高达 1500 VDC [6] 的逆变器的拓扑。
半桥电路配置是高功率 1200 V IGBT 模块的普遍电路拓扑。一个主要原因是半桥模块提供的内部布局经过优化，以减少换向电感回路，从而可以在运行期间使用具有合理瞬态过电压的大电流 1200 V 模块。通过在 3 电平 NPC 拓扑中使用这些半桥模块，换向环路中涉及多个模块，因此，不存在低电感内部模块布局的好处。因此，除非显著降低开关速度，尤其是 di/dt 以减少瞬态过电压，否则无法使用半桥模块。对于一代的沟槽式 IGBT，在关断时通过栅极电阻实现的 di/dt 可控性是有限的，因此不可能显著降低开关速度。此外，由于这种减速而导致的开关能量增加将对系统效率、功率密度产生负面影响，并终降低逆变器成本。
使用半桥/斩波器模块的 3 级 NPC 换向经典的 3 级 NPC 拓扑
要构建 3 级 NPC 拓扑，需要三个模块（一个半桥模块和两个斩波器模块），如图 1 所示。模块 A 和 C 是斩波器模块，模块 B 具有半桥配置。由于优化了低电感 IGBT 模块布局并考虑了适当的叠层直流母线设计，因此模块 A 和 B（Ls1p 和 Ls1n）对直流母线的寄生杂散电感很小。然而，在多个模块上换向期间的杂散电感（Ls2p 和 Ls2n）没有得到优化，因此相比之下相对较高。
图 1：基于三个 LV100 IGBT 模块的 3 电平 NPC 拓扑。
根据图 2 中所示的与输出电压相移和输出电流相关的工作模式，需要考虑不同的换向电感。图 3 显示了 3 电平 NPC 拓扑的不同工作模式。
图 2：3 电平逆变器的工作模式
在工作模式 2 和 4 中，由于换向在一个功率模块内（类似于传统的 2 电平操作），因此有效换向电感很低。IGBT 模块 B 传导电流，但不参与换向环路。在工作模式 1 和 3 中，有效换向电感很高，因为所有 3 个模块都参与换向事件。因此，可能会发生过电压，这可能会超过半导体的阻断能力，并导致 IGBT 模块损坏。
图 3：3 电平 NPC 拓扑的工作模式
利用 A-NPC 拓扑实现低电感换向在 A-NPC 3 电平拓扑中，有源开关 （IGBT） 被添加到 NPC 拓扑的中性点箝位二极管 D5 和 D6 中。通过使用这些 IGBT，可以使用中性电压的替代换向路径。可以使用不同的控制策略，这可能会导致不同开关元件之间的功率损耗分布更加均匀 [1] [5]。
除了这些优势外，A-NPC 拓扑还有助于实现低电感换向环路。图 4 显示了使用三个半桥模块构建的 A-NPC 拓扑。例如，当经典的 NPC 拓扑处于工作模式 1 时，由于换向事件涉及多个模块，因此没有低电感路径可用。然而，当 A-NPC 拓扑处于工作模式 1 时，D2 和 S5 上有一个新的低电感路径可用。此外，在工作模式 3 中，S6 和 D3 上的新低电感路径也可用。因此，在所有四种工作模式下，都存在一个利用有源开关的低电感换向回路。不存在涉及多个模块的高电感换向路径。
图 4：3 电平 A-NPC 拓扑的工作模式
使用 LV100 IGBT 模块进行 3 级评估
测试设置
考虑到 LV100 封装已被确立为可再生能源、工业驱动、铁路转换器和电网应用等高功率应用的新标准 [7]，我们构建了一个包含三个工业 1200 A IGBT 半桥模块的测试装置。该设置代表一个 3 电平 A-NPC 相位臂，如图 5 所示。经典的 NPC 拓扑换向也通过保持 IGBT S5 和 S6 关闭来评估。已经评估了有效换向电感和电流，可在不超过 1200 V 的情况下进行切换。该评估的条件是 Tj=25°C 和 VCC = 1500 V （2 x 750 V）。
图 5：基于三个 1200 A LV100 IGBT 半桥模块的 3 电平测试装置
评估结果
图 6 所示的评估结果表明，通过使用 A-NPC 拓扑，所有工作模式下的杂散电感都小于 19 nH。在所有工作模式下，2400A 的电流（两倍额定电流）不受瞬态过电压的限制。此处指示的 2400A 限制与 1200A IGBT 模块 [8] 数据表中的 RBSOA 限制有关。如图 7 所示，当关断 2400 A 的集电极电流 IC 时，集电极-发射极电压 （VCE） 小于 1100 V。然而，通过使用经典的 NPC 拓扑，VCE 可以达到 1200 V，同时关闭 637 A 的集电极电流。高过电压是由 118.2 nH 的高杂散电感引起的。
图 6：工作模式的评估结果：A-NPC 和 NPC 拓扑在 1200V 时的换向电感和集电极电流
图 7：IGBT 关断波形比较：VCC=2x750 V，Tj=25°C 时，工作模式 3 中的 A-NPC 与 NPC。
A-NPC 拓扑中的零电压交叉换向 3 电平电压源 PV 逆变器调制基频为 50 Hz 或 60 Hz 的正弦电压。在正弦半波（正或负）期间，A-NPC 拓扑提供低电感换向路径。然而，在改变输出电压的极性时，例如从工作模式 2 更改为 3 或从 4 更改为 1，无法避免多个模块的高感应换向。在纯有功功率 [3] [4] （cos（φ）=1/-1） 的功率因数的情况下，输出电流为零，较高的换向电感不会引起过电压。
但是，如果逆变器必须提供无功功率，则电流需要通过高电感路径进行换向。由于集电极电流限制（如评估的 637 A）是不可接受的，因此需要一种专用的新型开关模式来降低过电压。图 8 中的示例显示了在负输出电流条件下，输出电压极性从负半波变为正半波期间的换向。这表示从操作模式 4 到 1 的变化。在负半波期间，IGBT S4 和 S6 交替切换。电流在路径 1 和 2 之间交换。通过更改为正电压半波，电流必须通过 118.2 nH 的高电感路径从半桥 IGBT 模块 C 换向 A。在极性变化期间，可以通过打开 IGBT S2、S3、S5 和 S6 并联接通换向路径 2 和 3。
如图 8 中的波形所示，电流自然会通过路径 2 到 3 部分换向。在对 1200 A LV100 IGBT 模块的评估中，可以观察到，在 80μs 后，路径 2 （IC S3） 的约 40% 的电流已换向路径 3 （IC S2），没有任何过电压。在此部分换向之后，可以通过关闭 IGBT S6 和 S3 来关闭路径 2。在此关闭时，di/dt 降低，因为电流在关闭前已经减少了 40%。如图 9 所示，当 IGBT S3 关闭时，由关断 di/dt 和相应的换向电感将产生过压。在 IGBT 上测得的过电压没有直流母线电压的大小，因为路径 3（D2 和 S5）已经导通。这
图 8：从工作模式 4 到 1 的新型换向，降低了过电压
图 9：IGBT S3 在降低过电压的新换向期间的关断波形
评估表明，在关断 2300 A 时，产生的过电压为 750 V，因此远低于 1200 V 的限制。因此，可以成功地将电压极性更改为正正弦半波，并且可以交替切换低电感路径 3 和 4。
LV100 针对可再生能源和工业应用进行了优化 已经证明，半桥 IGBT 模块可以在没有与 3 电平逆变器换向电感相关的典型缺点的情况下使用。此外，考虑到集中式光伏逆变器需要可靠、可扩展和标准化的功率模块，用于工业和可再生能源应用的 LV100 提供了优化的解决方案 [7]。
LV100 外壳是高功率 IGBT 模块的新事实上的标准，因此它与来自不同供应商的功率模块具有兼容的外形。用于 indutrail 应用的 LV100 系列涵盖 1200V 和 1700V 阻断电压额定值，如图 10 所示。用于 indutrail 应用的 LV100 基于 SLC 封装技术，该技术已被证明是一种无热循环故障的封装技术 [9]。由于 SLC 封装技术利用具有匹配热膨胀系数的互连材料，并且不需要焊料层将基板连接到基板，因此不存在热循环失效模式。第 7 代 IGBT 和二极管芯片的技术有助于实现尽可能高的逆变器效率。这些技术与先进的对称低电感内部布局相结合，可提供尽可能高的功率密度 [7] 和可靠的运行。
图 10：用于工业和可再生能源应用的 LV100 系列
总结
使用半桥 IGBT 模块可以实现具有低电感换向的大功率 3 电平集中式光伏逆变器。事实证明，通过将 LV100 IGBT 模块与有源中性线钳位 （A-NPC） 拓扑结合使用，低电感换向路径可用于所有工作模式。在输出电压极性变化期间，可以应用此处描述的新型换向模式来有效降低开关过电压。
