IGBT和二極管技術(shù)集成在低電感ANPC拓撲中

2020-09-28

在過(guò)去的兩年中，隨著(zhù)全球光伏市場(chǎng)的蓬勃發(fā)展以及較低水平的能源成本（LCoE）帶來(lái)的好處，1500 VDC光伏系統已成為主流。同時(shí)，由于其不斷提高的功率密度，靈活性和簡(jiǎn)化的維護，串式逆變器解決方案也變得越來(lái)越受歡迎。

為了支持這一市場(chǎng)趨勢，英飛凌開(kāi)發(fā)了新型的低電感Easy 3B封裝以及特殊的950 V IGBT和二極管技術(shù)。結合有源中性點(diǎn)鉗位（ANPC）拓撲，此組合將1500 VDC PV串式逆變器的功率密度提高到一個(gè)新的水平，從而進(jìn)一步降低了LCoE。

圖1顯示了太陽(yáng)能逆變器中使用的典型ANPC拓撲。使用SHeading 2ix子系統，每個(gè)子系統均由一個(gè)IGBT（T1至T6）和一個(gè)反并聯(lián)二極管（D1至D6）組成。VDC從DC +到N和從N到DC-對稱(chēng)地施加。被調查的ANPC

圖1：分別在子系統1至4和5至6中具有快速切換設備和低靜電損耗設備的ANPC拓撲的示意圖。實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)表示所研究的換向路徑 

拓撲在子系統1至4中使用了快速切換設備，在子系統5和6中使用了低靜態(tài)損耗設備。參考資料中提供了ANPC拓撲和相關(guān)換向路徑的全面討論和解釋。[1，2]。

在有功功率（例如正輸出電壓和正輸出電流）中，圖1中的實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)綠線(xiàn)表示典型的換向路徑。為了清楚起見(jiàn)，T1與D2換向，而T5連續處于導通狀態(tài)。因此，用于有功功率操作的一條主要換向路徑在DC +和N和/或N和DC-之間。因此，應通過(guò)設計措施將這些路徑中的寄生效應降至最低，以確保優(yōu)化的性能。

圖2：650 V，950 V和1200 V MPT IGBT技術(shù)的權衡圖。在TJ = 150°C和VDC = 2/3?VCES時(shí)提供靜態(tài)和動(dòng)態(tài)值。作為參考，還顯示了650 V和1200 V的最新第四代IGBT

面向太陽(yáng)能應用的新型950 V技術(shù)新型950 V IGBT技術(shù)基于微圖案溝槽（MPT）電池設計，這在650 V TRENCHSTOP?5和1200 V TRENCHSTOP?7 IGBT中是眾所周知的[3，4， 5]。為了滿(mǎn)足ANPC拓撲中每個(gè)子系統的特定要求并優(yōu)化系統效率，開(kāi)發(fā)了兩種獨立的器件性能：具有中等靜態(tài)損耗但動(dòng)態(tài)損耗顯著(zhù)降低的快速開(kāi)關(guān)IGBT（S7），以及低靜電損耗優(yōu)化的IGBT（L7）。新型950 V二極管基于著(zhù)名的650 V RAPID技術(shù)，具有足夠的柔軟度，宇宙射線(xiàn)強度和低動(dòng)態(tài)損耗。

圖2顯示了650 V，950 V和1200 V MPT技術(shù)的權衡圖。所有值均在150°C的結溫（TJ），標稱(chēng)電流和相應阻斷電壓VCES的2/3的直流母線(xiàn)電壓（VDC）下提供?？梢钥吹?，650 V MPT技術(shù)提供了具有較高靜態(tài)損耗的超快開(kāi)關(guān)器件（H5）以及優(yōu)化了靜態(tài)損耗的器件（L5）。與1200 V T4相比，1200 V MPT技術(shù)（T7）結合了低靜態(tài)損耗和適度的動(dòng)態(tài)損耗。無(wú)論如何，由于1200 V的阻斷能力，T7的動(dòng)態(tài)損耗要比S5大（接近8倍），盡管兩者在額定電流（Inom）時(shí)都具有可比的集電極-發(fā)射極電壓（VCE）。因此，950 V MPT技術(shù)彌補了這一性能差距。

L7的動(dòng)態(tài)損耗比T7高約50％，但靜態(tài)損耗卻低得多。在中等靜態(tài)損耗下，S7僅顯示T7動(dòng)態(tài)損耗的三分之一。應該記住的是，電流密度隨阻斷電壓的增加而降低。在L7和S7的情況下，電流密度比T7高約50％。因此，如果在功率模塊中使用相等的芯片面積，則相對于1200 V IGBT，950 V IGBT的性能優(yōu)勢將更加明顯。此外，將L7和S7與最新的1200 V T4和650 V E4進(jìn)行比較，強調了與MPT概念和所用技術(shù)直接相關(guān)的好處。 

圖3：IC = Inom和IC = 0.1?Inom時(shí)，L7，S7和T7的L7，S7和T7的關(guān)閉波形（左側）和打開(kāi)波形（右側），在TJ = 25時(shí)VDC = 600 V ℃。這些表包含特征參數

在下文中，重點(diǎn)是L7，S7和T7。圖3顯示L7，S7和T7的關(guān)閉和開(kāi)啟波形。對于關(guān)斷，S7提供最激進(jìn)的開(kāi)關(guān)性能，即最高的開(kāi)關(guān)斜率（dv / dt）和峰值電壓VCE peak。專(zhuān)注于S7，VCE，峰值接近其最大值。L7和T7非常柔軟，沒(méi)有達到臨界值。對于接通，所有設備都提供可比的開(kāi)關(guān)性能。如果另外降低柵極電阻（RG），則S7可能會(huì )實(shí)現更低的開(kāi)關(guān)損耗和更高的dv / dt值。

針對1500V太陽(yáng)能應用的優(yōu)化電源模塊

如參考文獻中所述。[6]，為了在最終系統中實(shí)現最佳性能，必須對電源模塊進(jìn)行優(yōu)化設計。為此，采取了以下步驟來(lái)開(kāi)發(fā)針對1500 V太陽(yáng)能應用的優(yōu)化電源模塊：

首先，確定了ANPC拓撲的主要換向路徑，如圖1所示。

其次，在平行板設計中，電源端子彼此靠近放置，以最小化DC +與N和N與DC之間的雜散電感。DC +，N和DC-的位置如圖4所示。輸出端子與輸入端子相對，從而簡(jiǎn)化了PCB設計。

圖4：Easy3B封裝，具有基于950 V的ANPC拓撲的相應引腳

第三，以這樣的方式定義內部布局，即對于關(guān)鍵計算路徑，只有很小的換向回路出現在基板水平上。避免了模塊基板之間的換向路徑。

第四，使用新穎的無(wú)底板Easy3B封裝開(kāi)發(fā)了一種非常低的電感和對稱(chēng)電源模塊。因此，在與兩個(gè)傳統Easy2B封裝相同的占位面積上，僅實(shí)現了15 nH的模塊雜散電感。此外，與Easy1B和Easy2B相比，Easy3B封裝可降低熱阻。

最后，在此電源模塊設計中實(shí)現了950 V IGBT和二極管技術(shù)。因此，針對1500 V太陽(yáng)能逆變器（標稱(chēng)電流為400 A）進(jìn)行了優(yōu)化的ANPC拓撲完全集成在單個(gè)電源模塊中。

使用圖1所示的1500 V ANPC拓撲結構評估電源模塊的性能。S7和L7分別在子系統T1至T4和T5至T6中實(shí)現。T2和T3提供200 In的Inom，而所有其他IGBT的Inom值為400A。關(guān)于二極管，分析了兩種主要情況。在第一個(gè)中，所有子系統中都集成了200 A RAPID二極管。在第二個(gè)中，Inom = 60 A的1200 V SiC肖特基二極管取代了RAPID二極管D2和D3。使用帶有T7和EC7的ANPC拓撲作為參考，并對有功功率換向路徑進(jìn)行比較。在所有情況下，假定平均模塊溫度最高增加30 K，因此限制了解決方案的可用性。

圖5顯示了在DC +和DC-端子之間施加1200 V時(shí)，最大可實(shí)現的輸出電流Iout與開(kāi)關(guān)頻率fSW的關(guān)系。實(shí)線(xiàn)表示參考的Iout和上面提到的兩個(gè)基于L7 / S7的方案。所有這三種解決方案均提供相同的標稱(chēng)電流。在非常低的fSW時(shí)，T7 / EC7解決方案的Iout比兩個(gè)L7 / S7版本高出15％。在典型的fSW高于20 kHz時(shí)，該收益降低到大約7％。值得一提的是，只有T7 / EC7解決方案的功率密度顯著(zhù)降低才能帶來(lái)這種虛假的Iout收益。如果使用相同的功率密度，即使用相同的L7，S7和RAPID二極管芯片面積，情況就會(huì )改變。虛線(xiàn)將其可視化。

圖5：在相同的熱邊界條件下，不同型號和功率密度的I out與fSW的關(guān)系。插圖：在對應的Iout處，不同效率和功率密度的系統效率與fSW的關(guān)系。

顯然，帶有RAPID二極管的L7 / S7和帶有SiC二極管的L7 / S7現在分別提供了高達40％和75％的Iout增加。即使對于fSW在20至40 kHz范圍內，Iout也比T7 / EC7參考值大10％，最大26％。這些發(fā)現不足為奇，因為T7和EC7針對通用驅動(dòng)器進(jìn)行了優(yōu)化，從而降低了開(kāi)關(guān)頻率。因此，如果像太陽(yáng)能應用中一樣需要更快的開(kāi)關(guān)速度，那么L7和S7的優(yōu)勢就顯得尤為重要。

圖5的插圖顯示了對應最大Iout的系統效率與fSW的關(guān)系。所有解決方案均提供至少99.2％的系統效率。無(wú)論如何，基于L7 / S7的解決方案比基于T7的解決方案至少提供0.05％到0.3％的更高系統效率。應該記住的是，與基于In7 = 400 A的基于L7 / S7的解決方案（實(shí)線(xiàn)）相比，具有更大芯片尺寸（虛線(xiàn)）的L7 / S7的系統效率稍低，同時(shí)伴隨著(zhù)更高的Iout。盡管系統效率略低，但在fSW = 20 kHz時(shí)Iout增強了25％至35％。