在過去的幾個月里，賽米控推出了來自兩家不同制造商的950V 和 1200V第 7 代 IGBT 。自上一代產(chǎn)品推出以來，這兩款第 7 代 IGBT 都經(jīng)歷了根本性改進。得益于新的芯片設(shè)計，當(dāng)前所有類別的芯片尺寸平均縮小了 25%。這樣可以在現(xiàn)有模塊外殼中實現(xiàn)更高的標(biāo)稱電流，從而實現(xiàn)更高的電流密度，并使飽和電壓 Vce,sat 降低約 20%。

　　第 7 代 IGBT 的另一個重要新特性是能夠在更高的結(jié)溫下工作。最高結(jié)溫保持在 Tj,max=175°C，允許連續(xù)工作高達(dá) Tj,op=150°C。然而，新功能是現(xiàn)在可以在 150°C 至 175°C 之間短期運行長達(dá)一分鐘，占空比為 20%。這樣，例如，可以覆蓋一分鐘長的逆變器過載110%，而不需要額外的設(shè)計儲備。

圖1

　　新一代芯片可實現(xiàn)具有前所未有的功率密度的緊湊型逆變器。尤其是新型 950V IGBT，具有高開關(guān)頻率的變體以及具有優(yōu)化 Vce,sat 的變體，非常適合在高達(dá) 1500VDC 的三電平拓?fù)渲惺褂谩?/p>

　　適用于 1500VDC 太陽能應(yīng)用的三級拓?fù)?/strong>

　　在 1500VDC 應(yīng)用中，最常見的拓?fù)涫侵行渣c鉗位 (NPC) 和有源中性點鉗位 (ANPC)。與 NPC 相比，ANPC 多了兩個開關(guān)，自由度更高，但 T5 和 T6 需要兩個額外的驅(qū)動器(圖 1)。

　　ANPC 存在不同的切換模式。兩種流行的切換模式是(圖 2)：

　　高頻/低頻(HF/LF)切換模式

　　低頻/高頻(LF/HF)切換模式

圖2

　　兩種開關(guān)模式的不同之處在于輸入和輸出級的操作方式。在低頻/高頻模式下，輸入級以低開關(guān)頻率進行切換。一般來說，這等于電源頻率，即 50/60Hz。相比之下，輸出級以千赫茲范圍內(nèi)的高頻進行切換。HF/LF 模式的操作方式相反。不同的開關(guān)模式導(dǎo)致?lián)Q向回路的差異。圖 3 和圖 4 顯示并比較了換相環(huán)路和相腳設(shè)計的結(jié)果。

　　換向回路 ANPC LF/HF(圖 3)：

　　輸入級：低頻換相發(fā)生在輸入級的一半內(nèi)(環(huán)路面積小)。

　　輸出級：輸入級和輸出級之間發(fā)生高頻換向(換向面積大)。需要高柵極電阻來最小化過壓。

　　后果：相腳電路應(yīng)限制在一個電源模塊內(nèi)，以最大限度地減少長換向回路，或者相腳應(yīng)跨兩個電源模塊分開，并將同一換向回路的所有開關(guān)保留在同一封裝內(nèi)。

圖3

　　換向回路 ANPC HF/LF(圖 4)：

　　輸入級：高頻換向發(fā)生在輸入級的一半內(nèi)(環(huán)路面積小)。可以實現(xiàn)低柵極電阻。

　　輸出級：低頻換向發(fā)生在輸入級和輸出級之間(換向面積大)。由于開關(guān)頻率較低，可以使用較大的柵極電阻來最小化過壓。

　　結(jié)果： 相腳可以設(shè)計在一個模塊、兩個分體模塊或三個半橋模塊內(nèi)。

圖4

　　決定 NPC、ANPC HF/LF 或 ANPC LF/HF 拓?fù)渲心囊粋€最適合給定應(yīng)用，主要取決于可用的芯片技術(shù)、功率因數(shù)范圍和開關(guān)頻率。例如，950V 第 7 代 IGBT 與SIC 器件相結(jié)合，是光伏 (PV) 和儲能應(yīng)用 (ESS) 中高開關(guān)頻率的完美匹配。

　　新型 950V 第 7 代 IGBT

　　賽米控在不同的芯片型號和外殼中使用了新一代第 7 代 IGBT。在 950V 等級中，有兩種不同的芯片變體可供選擇： “L7”版本針對最小傳導(dǎo)損耗(即最小 Vce,sat)進行了優(yōu)化，并且應(yīng)在電流前置時間較長且僅發(fā)生少量開關(guān)操作的情況下使用，例如在ANPC 拓?fù)涞?LF 階段。相比之下，“S7”型號針對最小開關(guān)損耗進行了優(yōu)化，非常適合高頻元件。此外，950V IGBT 的性能優(yōu)于 1200V IGBT。根據(jù)一般經(jīng)驗，標(biāo)稱電壓較低的 IGBT 的開關(guān)損耗也較低。同時，950V 阻斷電壓足以支持針對 1500VDC 設(shè)計的應(yīng)用。

　　采用 SiC mosfet 和 950V 第 7 代 IGBT 的分離式 ANPC 拓?fù)?/strong>

　　第一個要討論的模塊外殼是采用分離式 ANPC 拓?fù)涞?SEMITOP E2，針對 LF/HF 開關(guān)模式進行了優(yōu)化(圖 5)：一個相腳分為兩個 SEMITOP E2 模塊。形成一個換向回路的組件位于同一模塊中，以最大限度地減少換向電感。

　　L7 950V IGBT(低VCE，sat)用于LF/HF ANPC的輸入級，以電源頻率進行切換。在這種情況下，輸出級由極快開關(guān)SiC MOSFET和SiC 肖特基二極管組成。這些允許 40 kHz 或更高的開關(guān)頻率。該組合的額定電流為 200A，可實現(xiàn)高達(dá) 200kW 的輸出功率，并且在完全基于 PCB 的系統(tǒng)設(shè)計中具有 >99% 的出色效率。不需要進一步并聯(lián)電源模塊。

　　第二個使用這種新芯片技術(shù)的賽米控模塊是 MiniSKiiP 3 MLI(圖 6)。該 3 級 NPC 模塊完全基于硅元件，包含額定電流為 400A 的完整相腳。與 SEMITOP E2 一樣，該版本使用低 VCE 的 L7 950V IGBT，用于慢速開關(guān)位置，而 S7 高速 IGBT 用于快速開關(guān)。

圖5

　　NPC 和 ANPC 在應(yīng)用中的比較

　　光伏應(yīng)用大多在功率因數(shù) PF 或 cos phi 為 0.8 至 1.0 的情況下運行。這意味著能量流是單向的，從太陽能電池板通過逆變器到電網(wǎng)。在 NPC 拓?fù)渲校獠块_關(guān) T1 和 T4 主要產(chǎn)生開關(guān)損耗，以較高的開關(guān)頻率運行(S7 IGBT)。內(nèi)部開關(guān) T2 和 T3 主要產(chǎn)生傳導(dǎo)損耗(L7 IGBT)。

圖6

　　具有雙向能量流的應(yīng)用(例如能量存儲系統(tǒng))需要針對整個功率因數(shù)范圍進行優(yōu)化的芯片組。電池充電時，能量從電網(wǎng)流向逆變器，PF=-1;電池放電時，能量從逆變器流向電網(wǎng)，PF=1。與NPC相比，在ANPC拓?fù)渲校瑩Q流路徑不會隨著功率因數(shù)的變化而改變，并且可以服務(wù)于全功率因數(shù)范圍。賽米控還在 MiniSKiiP 3 封裝中為此提供了 ANPC 解決方案，Icnom=400A。

　　圖 7 比較了 NPC 和 ANPC HF/LF 模塊的效率與功率因數(shù)，這兩種模塊均針對光伏應(yīng)用進行了優(yōu)化。當(dāng) PF=1 時，NPC 具有與 ANPC-HF/LF 相同的效率，因為該工作點上的換向環(huán)路和有源芯片相同。

　　一旦 PF 小于 1，NPC 的效率就會因內(nèi)部開關(guān) T2/T3 的開關(guān)損耗而下降。就性能而言，ANPC-HF/LF 在整個功率因數(shù)范圍內(nèi)表現(xiàn)出最高的效率。但這是以兩個額外的開關(guān)和驅(qū)動器為代價的。有鑒于此，并考慮到光伏應(yīng)用中的 0.8…1 功率因數(shù)范圍以及更容易的控制，NPC 可以成為 ANPC-HF/LF 的良好替代品。

　　兩種變體在全硅中均可實現(xiàn)高達(dá) 200kW 的輸出功率，在混合 SiC 中可實現(xiàn)高達(dá) 250kW 的輸出功率，并在 NPC 拓?fù)渲械?D5/D6 位置使用 SiC 肖特基二極管。為了獲得更高的功率輸出，這些模塊還可以并聯(lián)連接，從而允許交錯操作，從而產(chǎn)生 >30 kHz 的輸出頻率，而無需使用昂貴的 SiC 組件。

圖7

　　適用于高功率應(yīng)用的三電平拓?fù)?/strong>

　　三電平拓?fù)溥€在高功率轉(zhuǎn)換器(即500kW到多兆瓦風(fēng)能和太陽能應(yīng)用)中提供了明顯的優(yōu)勢。一方面，由于采用了最新的第7代IGBT技術(shù)以及更低的IGBT阻斷電壓，效率顯著提高。在風(fēng)力渦輪機中，這將使半導(dǎo)體損耗減少約 38%。另一方面，低電壓指令中規(guī)定的電壓范圍允許高達(dá) 1000VAC 和 1500VDC 的系統(tǒng)設(shè)計，可以得到充分利用。由于總電流較低，電纜損耗或布線成本降低了 40%，因此可以顯著降低系統(tǒng)成本。

　　對于這些高功率應(yīng)用，由于開關(guān)期間需要電壓儲備，因此必須使用 1200V 組件。

　　2017 年推出的 SEMITRANS 10 MLI 1200A 是賽米控在光伏逆變器應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要里程碑。第 7 代 IGBT 實現(xiàn)的芯片尺寸縮小導(dǎo)致 SEMITRANS 10 MLI 1400A 添加到產(chǎn)品組合中。該模塊不僅提高了效率和額定電流。事實上，得益于優(yōu)化的鉗位二極管，現(xiàn)在還可以在 -1 至 +1 的整個功率因數(shù)范圍內(nèi)使用該模塊。這對于風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用至關(guān)重要，因為風(fēng)力發(fā)電應(yīng)用中發(fā)電機側(cè)逆變器始終以負(fù)功率因數(shù)運行。

　　比較高功率應(yīng)用的不同 NPC 設(shè)計

　　除了 SEMITRANS 10 MLI 之外，還可以使用標(biāo)準(zhǔn)半橋模塊創(chuàng)建 3 級 NPC 拓?fù)洹Ｏ旅嬉?1 MW 設(shè)計為例，詳細(xì)概述這些設(shè)計的優(yōu)缺點(見圖 8)。

　　SEMITRANS 10 MLI，每相支路 2 個模塊

　　該變體是唯一允許 NPC 拓?fù)鋬H與兩個模塊一起使用的變體，從而實現(xiàn)最大功率密度。此外，該設(shè)計僅需要兩個驅(qū)動板和僅三層的簡化直流總線連接。另一個優(yōu)點在于工作功率因數(shù)低于 1。由于換向環(huán)路僅分布在兩個雜散電感約為 60nH 的模塊上，因此該設(shè)計是快速開關(guān)并降低損耗的關(guān)鍵。

　　由于直流層壓板和交流連接重疊，因此可以實現(xiàn)低換向電感。該解決方案的另一個優(yōu)點是電流分布到兩個相腳模塊的交流端子，這顯著降低了端子連接上的熱應(yīng)力。

　　SEMiX 3 Press-Fit 半橋，每相腿 6 個模塊：為了覆蓋與 SEMITRANS 10 MLI 相同的功率范圍，至少需要 6 個 SEMiX 3 Press-Fit 模塊 (1200V / 600A)，從而需要還有更多柵極驅(qū)動元件。每相模塊的物理布置可防止直流電和交流電勢重疊，從而限制 NPC 電路可實現(xiàn)的換向電感。這對發(fā)電機的運行有特別的影響，當(dāng)在負(fù)功率因數(shù)運行時跨三個模塊換向時，會導(dǎo)致超過 200nH 的極高電感值。在風(fēng)力發(fā)電或 ESS 等應(yīng)用中，這使得該模塊組合的使用變得有些關(guān)鍵，并且意味著需要高輸出功率降額。

圖8

　　SEMiX 3 壓接半橋，每相支路 6 個模塊

　　為了覆蓋與 SEMITRANS 10 MLI 相同的功率范圍，至少需要六個 SEMiX 3 Press-Fit 模塊 (1200V / 600A)，從而還需要更多柵極驅(qū)動元件。每相模塊的物理布置可防止直流電和交流電勢重疊，從而限制 NPC 電路可實現(xiàn)的換向電感。這對發(fā)電機的運行有特別的影響，當(dāng)在負(fù)功率因數(shù)運行時跨三個模塊換向時，會導(dǎo)致超過 200nH 的極高電感值。在風(fēng)力發(fā)電或 ESS 等應(yīng)用中，這使得該模塊組合的使用變得有些關(guān)鍵，并且意味著需要高輸出功率降額。此外，模塊的并聯(lián)可能需要預(yù)先選擇的模塊或交流電抗器，以減少模塊之間的電流不平衡。

　　SEMITRANS 10 半橋，每相支路 3 個模塊

　　與 SEMiX 3 Press-Fit 一樣，也可以使用標(biāo)準(zhǔn) SEMITRANS 10 半橋模塊設(shè)計 3 級 NPC 電路。這里，換向也發(fā)生在 3 個模塊上，但直流和交流端子的線性排列允許重疊母線設(shè)計。這樣做會導(dǎo)致最長換向路徑的漏感約為 100nH

　　除了上面所示的 NPC 拓?fù)渲猓€可以基于標(biāo)準(zhǔn)半橋模塊實現(xiàn) ANPC HF/LF 拓?fù)洹Ｈ缟纤觯c MiniSKiiP 模塊相關(guān)，其優(yōu)點是換向路徑相同，與功率因數(shù)無關(guān)。在 HF/LF 版本中，快速換向發(fā)生在單個模塊內(nèi)，這導(dǎo)致 SEMITRANS 10 封裝中的換向電感僅為 24nH。然而，該解決方案的一個缺點是，與 SEMITRANS 10 MLI 相比，3 個模塊需要更大的空間，并且控制、柵極驅(qū)動器和直流母線連接的復(fù)雜性更高

　　全新第七代 IGBT 芯片進一步提高了三電平應(yīng)用的功率密度。這適用于使用新一代 7 950V IGBT 的基于 PCB 的系統(tǒng)以及采用 1200V 組件的高功率應(yīng)用。不同的三電平拓?fù)涓饔袃?yōu)缺點，必須根據(jù)給定的應(yīng)用和所需的工作點來選擇拓?fù)浜拖鄳?yīng)的芯片組。SEMITRANS 10 MLI 尤其在多兆瓦風(fēng)能和太陽能應(yīng)用中實現(xiàn)了最佳性能、功率密度和系統(tǒng)成本。