在中央光伏逆变器应用中，基于1200 V IGBT的3电平中性点箝位拓扑是一种常用方法。然而，考虑到高额定电流、低杂散电感和具有广泛可用性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 3电平中央光伏逆变器提供智能解决方案。
通常，当使用多个标准半桥
电源模块开发三电平NPC拓扑时，会出现问题。IGBT模块的串联会产生高杂散电感，与高开关di/dt相结合，导致高开关过电压［2］。具有集成NPC拓扑相位臂的IGBT模块包含4个IGBT和6个二极管，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，因此价格更高［3］。解决方案是将有源中性点箝位（A-NPC）拓扑与智能调制方案结合使用，从而能够利用半桥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的直流电压增加最近已成为公用事业规模光伏发电厂的标准，因此，必须选择能够处理中央太阳能逆变器1500 VDC直流母线的合适电路拓扑和
半导体器件，以满足与成本、效率、可靠性和电网谐波相关的要求。
2电平拓扑不是可取的，因为考虑到瞬态过电压，1.7 kV IGBT不能提供足够的故障裕量。此外，在这样的工作条件下，1.7 kV IGBT由于宇宙射线而遭受高故障率。3.3 kV IGBT等更高电压的器件提供较低的宇宙射线引起的故障率，并为瞬态过压提供足够的余量。然而，3.3 kV IGBT的开关和传导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 阻断功能在商业上无法支持 1500 VDC 应用。因此，基于1200 V IGBT的三电平拓扑是当今可再生能源应用领域直流母线电压高达1500 VDC ［6］的逆变器的首选拓扑。
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经过优化的内部布局，以减少换向电感环路，从而可以在工作期间利用具有合理瞬态过电压的大电流1200 V模块。通过在三电平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，除非开关速度（尤其是di/dt）显著减慢以减少瞬态过电压，否则无法使用半桥模块。对于最新一代的沟槽IGBT，关断时栅极电阻的di/dt可控性受到限制，因此开关速度不可能显著减慢。此外，由于这种减速而导致的开关能量增加会对系统效率、功率密度以及最终的逆变器成本产生负面影响。
带半桥/斩波器模块的 3 电平 NPC 换向 经典的 3 电平 NPC 拓扑
要构建三电平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，模块A和B（Ls1p和Ls1n）到直流母线的寄生杂散电感很小。然而，几个模块换向期间的杂散电感（Ls2p和Ls2n）没有优化，因此相比之下相对较高。
图 1：基于 3 个 LV100 IGBT 模块的 3 电平 NPC 拓扑。
根据与输出电压和输出电流相移相关的工作模式（如图2所示），需要考虑不同的换向电感。3 电平 NPC 拓扑的不同工作模式如图 3 所示。
图2：三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，因此有效换向电感较低（类似于传统的2电平操作）。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模块的损坏。
图 3：3 电平 NPC 拓扑的操作模式
利用A-NPC拓扑实现低电感换向 在 A-NPC 3 电平拓扑中，NPC 拓扑的中性点箝位二极管 D5 和 D6 中添加了有源开关 （IGBT）。通过使用这些IGBT，可以使用中性线电压的替代换向路径。有不同的控制策略可用，这可能导致不同开关
元件之间的功率损耗分布更均匀［1］ ［5］。
除了这些优点之外，A-NPC拓扑结构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。但是，当 A-NPC 拓扑处于工作模式 1 时，可以使用 D2 和 S5 上的新低电感路径。此外，在工作模式 3 中，还可以在 S6 和 D3 上提供新的低电感路径。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环路。不存在涉及多个模块的高电感换向路径。
图 4：3 电平 A-NPC 拓扑的操作模式
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］，因此构建了具有三个工业1200 A IGBT半桥模块的测试装置。该设置代表一个 3 电平 A-NPC 相位支路，如图 5 所示。经典的NPC拓扑换向也通过保持IGBT S5和S6关闭进行了评估。评估了有效换向电感和最大电流，可在不超过1200 V的情况下进行切换。该评估的条件为Tj=25°C和VCC = 1500 V （2 x 750 V）。
图 5：基于 3 个 1200 A LV100 IGBT 半桥模块的 3 电平测试设置
评价结果
图6所示的评估结果表明，利用A-NPC拓扑，所有工作模式下的杂散电感均小于19 nH。在所有工作模式下，最大电流为2400A（两倍额定电流），不受瞬态过电压的限制。此处指出的 2400A 限制与 1200A IGBT 模块数据表 ［8］ 中的 RBSOA 限制有关。如图7所示，关断2400 A集电极电流IC时的最大集电极-发射极电压（VCE）小于1100 V。但是，通过使用经典NPC拓扑，VCE在关闭637 A集电极电流的同时达到1200 V。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 拓扑的 1200V 时的换向电感和最大集电极电流
图 7：IGBT 关断波形比较：在 VCC=2x750 V、Tj=25°C 时，工作模式 3 下的 A-NPC 与 NPC 比较。
A-NPC拓扑中的零电压交叉换向 三电平电压源光伏逆变器调制基频为 50 Hz 或 60 Hz 的正弦电压。在正弦半波（正波或负波）期间，A-NPC拓扑提供低电感换向路径。然而，在改变输出电压极性时，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电感换向。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产生过电压。
但是，如果逆变器必须提供无功功率，则电流需要在高电感路径上换向。由于最大集电极电流限制（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 的更改。在负半波期间，IGBT S4和S6交替切换。电流在路径 1 和 2 之间换向。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，通过打开IGBT S2、S3、S5和S6，可以并联接通换向路径2和3。
如图8中的波形所示，电流将通过路径2到3自然部分换向。在使用1200 A LV100 IGBT模块进行评估时，可以观察到，在80μs之后，路径2（IC S3）约40%的电流已换向路径3（IC S2），没有任何过压。在此部分换向之后，可以通过关闭IGBT S6和S3来关闭路径2。在此关断时，di/dt降低，因为电流在关断前已经降低了40%。如图9所示，当IGBT S3关断时，关断di/dt和相应的换向电感会产生过压。在IGBT上测量的过电压与直流母线电压的大小无关，因为路径3（D2和S5）已经在导通。这
图 8：过压降低的工作模式 4 到 1 的新型换向
图 9：IGBT S3 在过电压降低的新型换向期间关断波形
评估表明，在2300 A关断时，产生的过压为750 V，因此远低于1200 V的限制。因此，可以成功执行电压极性更改为正弦半波，并且可以交替切换低感路径3和4。
LV100 针对可再生和工业应用进行了优化 已经证明，半桥IGBT模块的使用没有与三电平逆变器换向电感相关的典型缺点。此外，考虑到中央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模块的新事实标准，因此它具有与不同供应商的功率模块兼容的外形。用于工业应用的LV100产品阵容涵盖1200V和1700V阻断电压额定值，如图10所示。用于工业应用的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封装技术使用具有匹配热膨胀系数的互连材料，并且不需要焊接层将基板连接到基板，因此不存在热循环失效模式。第七代IGBT和二极管芯片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 产品阵容
总结
使用半桥IGBT模块可以实现具有低电感换向的大功率三电平中央光伏逆变器。研究表明，通过将LV100 IGBT模块与有源中性箝位（A-NPC）拓扑结合使用，可以为所有工作模式提供低电感换向路径。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压。
