引言
近年来，1500Vdc组串式逆变器凭借其在度电成本（LCOE）上的优势，已经成为国内外地面电站的主流解决方案。组串式逆变器由于体积和重量的要求，2018年以前市场上最大的单机功率仅为100kW左右。提高单机的功率等级是降低逆变器成本从而迎接平价上网的重要方法和出路。2019年，一些光伏逆变器的头部企业都已经推出或者计划推出200kW以上组串式光伏逆变器。功率等级的大幅提升当然离不开一些新技术的应用，尤其是逆变器的“心脏”——功率半导体解决方案的升级。本文首先介绍了1500Vdc光伏组串式逆变器的拓扑结构。接着在第二章介绍了NPC1和ANPC拓扑的区别。第三章介绍了Si IGBT和SiC二极管的混合模块方案，可以提高功率密度降低损耗。接着从理论上分析了其在效率和功率密度方面比硅二极管方案的优势。最后，第四章推荐了一种ANPC的调制方法，用以降低逆变器在低电压穿越时候钳位二极管的热应力。
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应用于1500Vdc系统光伏逆变器
拓扑结构介绍
1500Vdc光伏逆变器从拓扑结构上来说，目前基本上都是基于NPC1，NPC2，ANPC的三电平方案以及五电平方案。五电平甚至更多电平的方案虽然可以应用低电压等级的功率器件，并且等效开关频率高，谐波畸变小。但是从控制上来说调制策略非常复杂。从功率器件角度来说，涉及到的晶圆类型较多，更新换代也比较困难。因此，三电平器件目前已经成为业内的主流。图1是三种主流三电平拓扑结构。
图1：1500Vdc组串式逆变器主流拓扑
拓扑结构的选择与新晶圆技术的应用是相辅相成的。更高耐压更快速度的晶圆催使拓扑结构更加简单化。NPC2的拓扑结构的竖管需要跟两电平拓扑一样高的耐压能力，一般使用在频率较低的应用中。NPC1和ANPC所有器件都是低耐压器件。ANPC多了两个IGBT，因而会多两路驱动，因此调制起来较为复杂但是自由度大很多。众所周知，采用ANPC的拓扑有利于优化换流回路以及损耗在不同器件上的均分[1,2]。但是技术的迭代是永无止境的，目前来看基于950V晶圆的NPC1和ANPC拓扑被认为是最好的解决方案。英飞凌推出了一款基于ANPC拓扑的模块F3L400R10W3S7F_B11从真正意义上助力1500V组串式逆变器功率到达200kW以上的新高度。
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ANPC和NPC1模块解决方案的比较
为了达到相同的功率，不同的拓扑结构采用的晶圆配比是不一样的。图2代表了不同拓扑结构的晶圆配置，红框的面积代表晶圆电流规格。ANPC拓扑虽然增加了两个IGBT（T5，T6），但是两个钳位二极管(D5，D6)的规格可以明显变小，从而有利于SiC二极管的应用。较小的SiC可以明显降低成本，因为直接采用跟外管(T1，T4)同电流规格的SiC 二极管的成本是非常高的。以F3L400R10W3S7F_B11模块为例，由于采用了ANPC的拓扑，钳位二极管(D5，D6)只需要选择100A的SiC二极管即可满足要求。作为对比，如果选择NPC1拓扑，钳位二极管(D5，D6)至少要选择300A的Si二极管。
图2：ANPC和NPC1拓扑结构以及晶圆规格
另外，ANPC的调制策略是非常灵活的，采用ANPC拓扑有利于损耗在各管子上的分布。最重要的是，ANPC在有功和无功情况下都可以通过短换流回路换流。从而解决了长换流回路时由于杂散电感较大导致的器件电压应力过大的问题。图3是NPC1拓扑结构的长短换流回路对比[3,4]。
图3：NPC1的长短换流回路
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钳位二极管采用SiC二极管
助力逆变器效率的提升
Si二极管反向恢复瞬间会产生很大的电流，进而产生很大的损耗，并且反向恢复损耗随正向电流的增大而增大。SiC二极管可以很好解决这一问题。SiC二极管正向电流加大时，瞬间反向恢复电流和反向恢复时间变化不大。SiC二极管在恶劣条件下，仍然可以实现稳定快速恢复。同时，SiC二极管可以降低反向恢复带来的噪音，起到降噪的效果。
图4是SiC二极管和Si二极管反向恢复电流的对比。相对于Si二极管，SiC二极管的反向恢复电流非常小，因此拥有可以忽略不计的反向恢复损耗。更重要的一点是，由于SiC二极管的反向恢复电流非常小，也使得其跟IGBT换流时候，IGBT的开通电流明显降低。一般情况下，跟Si二极管相比，SiC二极管可以降低与其换流的IGBT40%~50%的开通损耗。
图4：IGBT跟Si二极管和SiC二极管
换流时的开通波形对比
总而言之，采用SiC二极管的ANPC拓扑可以明显降低模块的损耗，提高逆变器的运行效率。
图5以200kW 1500Vdc组串式光伏逆变器为例，在各个输出功率下搭配SiC二极管的ANPC模块跟纯Si的NPC1模块损耗的仿真结果进行对比。可以看出在各种工况条件下，ANPC模块都要NPC1模块效率高出很多。
图5：ANPC和NPC1模块损耗对比
基于ANPC拓扑的调制策略很多，不同的调制策略各有优劣。对于一些集成化很高的功率模块，模块厂家在设计模块时就预设了一种比较适合的调制策略。晶圆的配比和特性也都是围绕该调制策略进行设计的。而这样做的目的也是尽可能的最大化性能和成本上的优势。F3L400R10W3S7F_B11就是一款为光伏应用深度定制的模块，为了最大化模块的性能，需要遵从特定的调制策略。
F3L400R10W3S7F_B11采用EASY 3B封装，详细信息请点击图片阅读：
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英飞凌F3L400R10W3S7F_B11模块
的特点以及调制方法推荐
该模块推荐采用四块两慢的调制方式，如图6所示。在调制波上半周的时候，拓扑下半部分所有的管子（T3，T4，T6）都是关断状态；反之，负半周时候，拓扑上半部分的所有管子（T1，T2，T5）都处于关断状态[5,6]。其中内管（T2，T3）无论任何情况下都是工频切换。也正是基于这个原因，对于内管的晶圆选择上，该模块搭配了英飞凌第七代慢速低饱和压降的晶圆L7。对于外管（T1，T4）以及钳位管(T5，T6)都是高频动作，所以搭配了第七代高速晶圆S7。通过这种快慢速晶圆搭配的方式，可以有效降低模块的损耗。
图6：ANPC拓扑及调制策略
图7是L7，S7与英飞凌其他晶圆技术的对比，横轴是饱和压降，纵轴是关断损耗。可以看到相对于1200V的晶圆，950V的晶圆特性更好。L7 和S7是同一种晶圆技术，但是位于晶圆折衷曲线的不同位置，因而适用于不同的开关频率。
图7：不同晶圆的折中曲线
前文提到，模块中仅仅是钳位二极管（D5，D6）采用了SiC二极管。同时为了保证产品的价格竞争力，钳位二极管（D5，D6）的电流规格较小。正常工作时候，由于光伏逆变器功率因素在+/-0.8之间，该二极管的规格是满足要求的。在图6的调制方法基础上，针对于该模块还有一种更好的调制方法，如图8所示。相对于传统的四块两慢方式，该方法下T5，T6 在整个工频周期内都是高频动作。采用该调制方式，模块内部会同时形成两个零电平回路，如图10所示。有利于损耗在不同器件上的分布。但需要注意的是，为了充分发挥SiC二极管的动态特性优势，一定要保证外管仅跟SiC二极管换流。
图8：改进的调制策略
在开关时序上如图9所示，以T1/T6为例：以上半周为例，t0之前D5和T6同时续流，t0时刻关断T6,这时候所有电流都会通过D5续流。当T6完全关断后，再打开T1，从而实现T1和D5换流。因为D5为SiC二极管，几乎没有反向恢复电流，从而可以有效的降低T1的开通损耗。t2之前所有电流流过T1，t2时刻关断T1。待T1和D5换流结束后，在t3时刻打开T6从而形成两个续流路径。T6需要等到到T1和D5换流结束后再打开，这是为了保证T1关断时候只有短换流路径进行换流，从而降低T1的关断时的过电压。
图9：T1，T6的时序
图10：两个零电平路径
需要注意的是，在正常工况下客户可以自由选择图6和图8的两种调制方式，但是在低电压穿越（LVRT）时候则强烈推荐采用图8调制方式。因为两个零电平路径同时工作，可以有效降低单个路径工作时流经D5，D6的电流大小。光伏逆变器在低电压穿越（LVRT）时，图6的调制策略下D5，D6的电流很大；采用图8的调制策略使D5，D6的电流明显降低，从而提高系统的可靠性。
结论
本文总结了1500Vdc组串式光伏逆变器的拓扑结构。并将两种主流拓扑结构ANPC和NPC1进行了对比。同时，本文对一款适用于1500Vdc 200kW以上组串式光伏逆变器的功率模块F3L400R10W3S7F_B11进行了介绍。强调了SiC二极管在模块中的应用及其给模块带来的效率优势。最后，本文对该模块的调制策略进行了推荐。为了充分发挥该模块的优势以及提高其在低电压穿越下的可靠性，本文在原来四块两慢调制策略基础上进行了改进。新的调制方法可以有效降低SiC二极管的损耗，降低SiC二极管在低穿工况下的热应力。同时也使较小的SiC二极管可以应用于较大的功率等级。
