三電平中間點鉗位 (3L-NPC) 拓?fù)洳粌H是高功率光伏逆變器的新趨勢，而且也是低功率和中等功率逆變器的新趨勢。 設(shè)計人員可能經(jīng)常面臨直流母線電壓不平衡的問題，而且此問題不能完全解決，并可能會導(dǎo)致電壓尖峰。 在這種情況下，提高阻斷電壓（如 3L-NPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）能夠有效幫助提高逆變器的可靠性。 這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也可以提高輸出電壓的頻譜性能，在設(shè)計時可以使用更小、更便宜的過濾器。

在此類系統(tǒng)中，IGBT 的限制通常是 600V，因為對于 600V 以上的設(shè)備，用于彌補低 V_{CE (SAT)的技術(shù)}會導(dǎo)致開關(guān)速度更慢，且開關(guān)損耗更大。

效率不降低，阻斷電壓更高

Fairchild 最近推出了 650V IGBT，使設(shè)計者能夠不犧牲效率即可利用更高阻斷電壓的優(yōu)勢。 在對具有相同配置的 FGH60N60SMD 600V IGBT 和新型 FGA60N65SMD?? 650V IGBT 進(jìn)行橫向比較時，兩個設(shè)備顯示出幾乎相同的 V_{CE (SAT)} 特性。 正如圖 1 所示，在室溫和高溫下且額定電流分別為最多 60A 和低于 30A 時，650V IGBT 具有略低的 V_CE(SAT)。

圖 1. 直流特性： 飽和電壓

圖 2 顯示了在 V_DD = 400V、V_GE = 15V 和 R_G = 3 Ω 條件下，開通和關(guān)斷開關(guān)損耗的總和。 而且，600V 和 650V IGBT 產(chǎn)生的結(jié)果非常相似： 在高溫和電流為額定電流一半的條件下，總開關(guān)損耗是相同的，而在室溫和額定電流下，650V IGBT 的損耗要高 5％。 總體而言，在典型的工作溫度和電流水平條件下，電路評估產(chǎn)生的結(jié)果非常接近。

圖 2. 對照集電極電流的開關(guān)損耗

為了評估系統(tǒng)級性能，我們進(jìn)行了基于 IGBT 特征數(shù)據(jù)的損耗分析，如圖 1 和圖 2 所示。 我們使用了全橋逆變器拓?fù)?，目?biāo)是建立一種混合開關(guān)控制機制。 圖 3 給出了每個 IGBT 的原理圖和電流波形。

圖 3. 對照集電極電流的開關(guān)損耗

高位的 IGBT 在高頻率時開啟和關(guān)閉，而低位的 IGBT 切換線路頻率，為另一半電網(wǎng)周期提供單向傳動路徑。 圖 4 顯示了當(dāng)高位 IGBT 開關(guān)頻率是 17kHz、輸出功率為 3kW 時，每個 IGBT 的預(yù)計功率損耗。 我們假設(shè)輸入電壓為 400VDC，輸出電壓為 220VAC，為了使計算簡單，快速得到模擬結(jié)果，假設(shè) IGBT 外殼溫度為 70°C。

圖 4. 預(yù)計功率損耗

降低的功率損耗

當(dāng)工作頻率為線頻時，650V IGBT 的功率損耗似乎略小。 這是因為，即使將因共同封裝二極管反向恢復(fù)電流產(chǎn)生的峰值電流考慮在內(nèi)，IGBT 的集電極電流大約是 19A（或不到額定電流的一半）。 圖 4 與圖 1 和圖 2 的結(jié)果是一致的。

圖 5 顯示了將 600V 和 650V IGBT 應(yīng)用至一個額定 3kW、單相、并網(wǎng)光伏逆變器時的結(jié)果。 輸入和輸出的規(guī)格大致與采用混合頻率控制全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且高位開關(guān)頻率為 17kHz 的第一個例子相同。

圖 5. 效率測試結(jié)果

新型 650V IGBT CEC 加權(quán)效率為 96.70％，而 600V IGBT 的加權(quán)效率為 96.62％。 系數(shù)加權(quán)在75%的最大功率 時最高，在這種情況下即功率為 2250W。

結(jié)論

設(shè)計者可以將自己的光伏逆變器從 600V IGBT 升級到 650V IGBT，以在不犧牲性能的情況下獲得更高的阻斷電壓容量。 650V IGBT 的低飽和電壓和快速開關(guān)速度相結(jié)合，使系統(tǒng)能夠保持高效率。 增加阻斷電壓提高了可靠性，特別是在寒冷的環(huán)境中，IGBT 的快速軟恢復(fù)功能降低了功耗，并實現(xiàn)了較低的開啟和關(guān)閉損耗。