應用樣品的進階之路

開發預制電力電子組件以簡化公用事業

太陽能逆變器研發工作的發展歷程

作者：Emiliano Meza, SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG

太陽能的蓬勃發展

早在2000年，公用事業光伏就有了一些零星發展，而真正的突飛猛進是在2009-2012的三年里，太陽能年安裝量從58MW增加到1.8GW，增長了30倍（圖1）。根據國際能源署的數據，在2021年，公用事業的太陽能年安裝量增長到近80GW。由于發電依賴于日/夜周期和天氣，當大型分散的太陽能能源向電網輸送電力時，人們對電網穩定性也日益關注。電力對大多數人來說是必不可少的，因此存在著降低總體成本（$/W）的壓力，這個任務落到逆變器設計上就是同時降低系統成本和提高功率。

圖1：歷史上各年的全球太陽能裝機量

這些要求驅動了電源轉換器的一些技術發展趨勢，包括：

- 縮小濾波器的尺寸（同時滿足新的電能質量要求）

- 增加直流電壓能力（如1500V）

- 改善電網支持（如無功功率、低電壓穿越（LVRT）能力）

- 與儲能系統更好地整合（雙向運行）

這些技術趨勢通常由不同的轉換拓撲結構來實現，而這些拓撲結構的開發頗為復雜。賽米控丹佛斯研發并組裝了這些拓撲結構的電源模塊，同時也研發了相應的"應用板"，以適配連接標準的驅動器核心，以實現設備的門極控制，并提供對更復雜的開關模式錯誤處理的提示。此外我們還向客戶提供電路示意圖、電路板布局和技術說明文件，幫助客戶在生產設計上獲得一個良好的起步。

這些應用板的誕生開啟了完整的 "應用樣品 "的發展，其中模塊、應用板、驅動器、散熱器、直流鏈路等被集成到一個可帶載工作的階段。這些應用樣品在提供給客戶工作電路原理的基礎上了做了進一步拓展，其中關鍵的連接（如換向回路）已經設計完成并經過測試。

由MiniSKiiP 3-L應用樣品向三電平的轉變

為了維持電網的質量，比如像IEEE 519這樣的法規規定，最大的單個諧波為3%，總諧波失真為5%。網側帶有電感和電容的并網濾波器將輸出電流平滑為正弦波，要求太陽能逆變器輸出控制在最大諧波允許范圍內。提高并網逆變器的開關頻率可以縮小電網濾波器的尺寸和減少材料成本。然而，開關頻率受到每次晶體管開啟和關閉過程中產生的損耗限制。為解決這個問題，三電平拓撲結構應運而生，與兩電平轉換器相比，需要過濾的紋波頻率幾乎翻了一番。這個方案使用了更多的芯片和驅動元件，產生了額外的成本，因此它需要一個平衡來降低總的系統成本。圖2展示了一些典型的三電平拓撲結構，例如：

- NPC: 中性點鉗位

- TNPC: T型中性鉗位

- ANPC: 有源中性點鉗位

圖2: 經典的三電平拓撲

盡管許多電力電子研發人員在兩電平電機逆變器方面有開發經驗，如電機驅動，但較少有三電平拓撲結構方面的經驗。因此，賽米控丹佛斯開發了第一個基于MiniSKiiP使用NPC拓撲結構的應用樣品。該評估系統支持三電平軟件開發，同時具有硬件保護功能，使用戶在開發代碼時更加安全。

每一相橋臂都帶有單獨的復雜可編程器件（CPLD）檢測IGBT的開關順序，死區時間和PWM順序。來自控制接口的PWM信號通過CPLD，隨后與開關狀態表進行比較，如圖3。如果PWM模式在圖3中標記為綠色的區域（允許的開關狀態），門極信號將被允許通過驅動器輸出級。然而，破壞性狀態會導致三個直流連接點中的至少兩個直接短路，造成電流擊穿，從而損壞晶體管。

在潛在損壞時序狀態下，外側晶體管處于開啟狀態，內側晶體管處于關閉狀態，電流通過電感放電產生潛在的過壓損壞晶體管，如果因PWM模式而導致破壞性或潛在的破壞性狀態，CPLD將使用正確的開關順序關閉每一相的橋臂。

圖3：NPC拓撲結構的安全、破壞性和潛在的破壞性開關模式

此外，CPLD將測量的模擬信號與電流、溫度和電壓的最大允許值進行比較。如果其中任何一個超過了安全操作范圍，CPLD將關閉相應的橋臂。然后，它確保NPC拓撲結構的內管（T2、T3）在外管（T1、T4）之前打開，外管在內管之前關閉。一旦橋臂回到安全操作區，CPLD就允許恢復操作。

在1500VDC下增加功率

在大型電廠中，由于電纜損耗（I2R）和材料成本的原因，增加電流以提高輸出功率變得令人望而卻步，因此提高電壓等級作為目標更加具有成本效益。為了避免觸及到中壓等級而產生的成本和安全問題，常規的做法是在低電壓指令（LVD）的限制范圍內增加母線電壓。在太陽能行業的早期階段，被認為是 "低 "壓等級的限制在歐洲（1500V）和美國（1000V）之間有所不同，但現在已經統一為1500V。

賽米控丹佛斯開發了多個應用樣品，測試各種三電平拓撲結構的優勢，以確定一個現實可用的方案。例如，NPC拓撲結構允許開關在一半的直流電壓下工作，但有一個長的換向回路，增加了雜散電感，也增加了電壓尖峰的可能性并影響開關特性。另一方面，TNPC拓撲結構具有相對較短的換流回路，但需要具有較高半導體阻斷電壓的器件，這就增加了開關損耗。

由于SEMiX5具有廣泛的產品組合和靈活性，許多應用樣品是基于其開發的。早期的SEMiX 5應用樣品使用了SKYPER 42 LJ驅動核心，后來我們專門為運行在1500V和160kVA范圍內的三電平太陽能測試平臺的驅動盒升級為SKYPER 12 PV。兩個SKYPER 12 PV驅動核可以安裝在一個SEMiX 5上，每個都能驅動兩個IGBT，通過圖4所示的藍色應用樣品板連接。藍色板實際上為一個代號，表明它們沒有經過嚴格的賽米控丹佛斯資格認證。另一方面，驅動核是賽米控丹佛斯的完全認證合格的目錄產品，由PCB的綠色表示。

圖4：帶有兩個SKYPER 12光伏驅動核心的SEMiX 5 三電平單相應用樣品

隨著1500V太陽能應用成為主流，逆變器功率不斷增加，有必要對NPC拓撲結構的產品范圍進行進一步擴展。賽米控丹佛斯開發了SEMITRANS 10 SplitNPC，每個單相橋臂由兩個功率模塊組成，每個模塊含有一個半橋電路和一個中性點鉗位二極管。最初基于IGBT E4，SEMITRANS 10封裝了1200V的器件，在1500V時為過沖提供了充足的空間，減少了應用中宇宙射線故障率。為了給客戶提供一個簡便的方案，使SKYPER 42 LJ光伏驅動核適應高功率模塊，賽米控丹佛斯開發了一個新的應用樣品，能夠在風冷的情況下達到1.2MW，如圖5所示。賽米控丹佛斯法國公司的電力電子系統組件小組隨后在該設計的基礎上開發了新的、完全合格的電力電子組件，進一步縮短了產品上市時間。

圖5：帶有應用板和SKYPER 42 LJ PV的SEMITRANS 10 MLI模塊的單相樣品

三電平的短路保護

為了在短路時保護逆變器，晶體管必須在指定的時間段內關閉，即tpsc。在短路情況下，IGBT可能會承受多倍于其額定電流，因此必須在例如8或10μs內檢測并關閉這種異常電流。應用樣品直接在柵極驅動電路的次側實現短路保護，以提供更快的響應，而不是等待錯誤信號被送過隔離電路，由一次側控制器處理，并將關斷命令送回來。與兩電平相比，這個過程在三電平拓撲結構中更加復雜，不僅是由于關斷順序，而且增加了NPC電感回路或使得電壓余量更小。

當發生短路時，IGBT中的集電極電流增加，這增加了集電極發射極飽和電壓，VCE,sat。驅動板可以測量VCE,sat以確定是否發生短路，但必須等到IGBT完全處于開啟狀態。在應用樣本中，為了確保IGBT完全開啟，檢測電路必須等待一個預先設定的 "盲區時間"。

大電流的快速關斷不可避免地意味著高di/dt，由于雜散電感導致高電壓尖峰，而雜散電感在電源電路中一直存在。放慢IGBT的開關速度可以增加IGBT的關斷時間（dt），這減小了di/dt，也減小了IGBT集電極和發射極上的電壓尖峰。此外，當在小的電壓余量下工作時，有源箝位是另一種減少電壓尖峰的方法。

有源箝位是用來限制雜散電感引起的電壓，以便晶體管不超過其額定電壓。在實踐中，這可能變得相當復雜。如圖6所示，瞬態電壓抑制二極管（TVS）被放在IGBT的集電極和柵極之間。在選擇TVS二極管時，必須使其保護電壓大于IGBT的工作電壓，但低于最大額定電壓。選擇正確的器件具有很大的挑戰性，因為所選的器件必須考慮器件公差的堆積。器件的電壓特性也往往取決于溫度。然后由電阻（圖6中的Rclamp）限制對柵極充電的電流，一個標準的二極管防止驅動器在標準操作中向集電極充電。如果SKYPER 12檢測到一個箝制狀態，它將驅動級與柵極斷開，以便主動箝位和驅動的柵極充電效果不會相互影響。雖然SEMiX 5應用樣品只包含兩個箝位電路保護最關鍵的IGBT（T2、T3），但SEMITRANS 10適配器板提供了足夠的空間來增加所有IGBT的箝位電路。應用工程團隊在實驗室里花了無數個月的時間研究SEMiX 5和SEMITRANS 10應用樣品，對主動箝位電路進行微調。

圖6：SEMiX5應用樣本的有源箝位電路

功率因數<1

隨著對儲能需求的增加，許多開發太陽能逆變器的公司開始將儲能轉換器加入其產品組合。在大多數情況下，太陽能和儲能的硬件非常相似：一個三相逆變器將直流電源（現在是電池而不是太陽能電池板）與交流電網耦合。這一概念有助于將太陽能市場的規模經濟復制到儲能上，使轉換器的成本降到最低。然而，隨著電池的充電，轉換器中的功率方向發生逆轉的情況偶有發生。這種負功率因素（cos(phi) = -1）的操作意味著轉換器中的二極管要承受更高的占空比。例如，在NPC拓撲結構中，鉗位二極管D5/D6成為對電池充電時最大功率的限制因素。

由于芯片的創新，第7代IGBT在相同的額定電流下提供了更小的芯片，使IGBT的額定電流從1200A增加到1400A，并騰出了空間來擴大箝位二極管。不僅SEMITRANS 10被更新了封裝M7 IGBT和更大的二極管，應用樣品也同樣更新了配置。賽米控丹佛斯法國公司的電力電子工程師隨后在這個應用樣品的基礎上開發了一個完全合格的電力電子系統組件，以進一步縮短開發時間（圖7）。

圖7：基于SEMITRANS 10的三相風冷電力電子組件，能夠達到1.25MW

目前，許多國家正在推動增加可再生能源以替代傳統發電方式。在這種趨勢下，這些國家相應更新了他們的電網規范，以進一步確保其穩定性，通常包括低電壓穿越（LVRT）條件的標準。由于世界各地的電網包含50%至100%的可再生能源，它們需要在停電或斷電時繼續運行。這種故障會導致并網逆變器以接近零的功率因數輸出低電壓。在這種情況下，有源中性點鉗制（ANPC）拓撲結構具有明顯的優勢。額外的晶體管使中性點電流在更多的器件之間分配，降低了芯片溫度和損耗。[1]

為了測試這一理論，開發了圖8所示的應用樣本。該應用樣本構成了ANPC拓撲結構（圖2右側）的單個橋臂，通過配備三個帶有最新M7 IGBT的SEMITRANS 20半橋模塊，能夠達到1.3MW。ANPC拓撲結構為正負功率因數提供了一個優化的解決方案，消除了在cos(phi)=-1時需要的降額。這使得采用賽米控丹佛斯的最新功率模塊SEMITRANS 20的開發速度更快，該模塊采用工業標準封裝設計，適用于高功率應用。

圖8：風冷式SEMITRANS 20 ANPC應用樣品的單相橋臂，能夠達到1.3MW

結論

太陽能市場中唯一不變的是變化。隨著太陽能逆變器市場的發展，賽米控丹佛斯的應用樣品也將隨之更新。主要目的是為了更好地支持客戶的發展，同時也促進賽米控丹佛斯對客戶需求的內部探索。賽米控丹佛斯每年都會開發新的應用樣品，為客戶提供一個開發起點，減少他們的開發時間。賽米控丹佛斯不是簡單地制造和銷售硬件，而是給客戶提供設計文件，以實現設計的靈活性和快速市場響應。全球的應用工程師網絡也支持客戶根據他們的需求調整應用樣品，使賽米控丹佛斯成為電力電子領域的終極合作伙伴。

審核編輯：湯梓紅