由MiniSKiiP 3-L应用样品向三电平的转变
应用样品的进阶之路
开发预制电力电子组件以简化公用事业
太阳能逆变器研发工作的发展历程
作者：emiliano meza, semikron elektronik gmbh & co. kg
太阳能的蓬勃发展
早在2000年，公用事业光伏就有了一些零星发展，而真正的突飞猛进是在2009-2012的三年里，太阳能年安装量从58mw增加到1.8gw，增长了30倍（图1）。根据国际能源署的数据，在2021年，公用事业的太阳能年安装量增长到近80gw。由于发电依赖于日/夜周期和天气，当大型分散的太阳能能源向电网输送电力时，人们对电网稳定性也日益关注。电力对大多数人来说是必不可少的，因此存在着降低总体成本（$/w）的压力，这个任务落到逆变器设计上就是同时降低系统成本和提高功率。
图1：历史上各年的全球太阳能装机量
这些要求驱动了电源转换器的一些技术发展趋势，包括：
- 缩小滤波器的尺寸（同时满足新的电能质量要求）
- 增加直流电压能力（如1500v）
- 改善电网支持（如无功功率、低电压穿越（lvrt）能力）
- 与储能系统更好地整合（双向运行）
这些技术趋势通常由不同的转换拓扑结构来实现，而这些拓扑结构的开发颇为复杂。赛米控丹佛斯研发并组装了这些拓扑结构的电源模块，同时也研发了相应的应用板，以适配连接标准的驱动器核心，以实现设备的门极控制，并提供对更复杂的开关模式错误处理的提示。此外我们还向客户提供电路示意图、电路板布局和技术说明文件，帮助客户在生产设计上获得一个良好的起步。
这些应用板的诞生开启了完整的 应用样品 的发展，其中模块、应用板、驱动器、散热器、直流链路等被集成到一个可带载工作的阶段。这些应用样品在提供给客户工作电路原理的基础上了做了进一步拓展，其中关键的连接（如换向回路）已经设计完成并经过测试。
由miniskiip 3-l应用样品向三电平的转变
为了维持电网的质量，比如像ieee 519这样的法规规定，最大的单个谐波为3%，总谐波失真为5%。网侧带有电感和电容的并网滤波器将输出电流平滑为正弦波，要求太阳能逆变器输出控制在最大谐波允许范围内。提高并网逆变器的开关频率可以缩小电网滤波器的尺寸和减少材料成本。然而，开关频率受到每次晶体管开启和关闭过程中产生的损耗限制。为解决这个问题，三电平拓扑结构应运而生，与两电平转换器相比，需要过滤的纹波频率几乎翻了一番。这个方案使用了更多的芯片和驱动元件，产生了额外的成本，因此它需要一个平衡来降低总的系统成本。图2展示了一些典型的三电平拓扑结构，例如：
- npc: 中性点钳位
- tnpc: t型中性钳位
- anpc: 有源中性点钳位
图2: 经典的三电平拓扑
尽管许多电力电子研发人员在两电平电机逆变器方面有开发经验，如电机驱动，但较少有三电平拓扑结构方面的经验。因此，赛米控丹佛斯开发了第一个基于miniskiip使用npc拓扑结构的应用样品。该评估系统支持三电平软件开发，同时具有硬件保护功能，使用户在开发代码时更加安全。
每一相桥臂都带有单独的复杂可编程器件（cpld）检测igbt的开关顺序，死区时间和pwm顺序。来自控制接口的pwm信号通过cpld，随后与开关状态表进行比较，如图3。如果pwm模式在图3中标记为绿色的区域（允许的开关状态），门极信号将被允许通过驱动器输出级。然而，破坏性状态会导致三个直流连接点中的至少两个直接短路，造成电流击穿，从而损坏晶体管。
在潜在损坏时序状态下，外侧晶体管处于开启状态，内侧晶体管处于关闭状态，电流通过电感放电产生潜在的过压损坏晶体管，如果因pwm模式而导致破坏性或潜在的破坏性状态，cpld将使用正确的开关顺序关闭每一相的桥臂。
图3：npc拓扑结构的安全、破坏性和潜在的破坏性开关模式
此外，cpld将测量的模拟信号与电流、温度和电压的最大允许值进行比较。如果其中任何一个超过了安全操作范围，cpld将关闭相应的桥臂。然后，它确保npc拓扑结构的内管（t2、t3）在外管（t1、t4）之前打开，外管在内管之前关闭。一旦桥臂回到安全操作区，cpld就允许恢复操作。
在1500vdc下增加功率
在大型电厂中，由于电缆损耗（i²r）和材料成本的原因，增加电流以提高输出功率变得令人望而却步，因此提高电压等级作为目标更加具有成本效益。为了避免触及到中压等级而产生的成本和安全问题，常规的做法是在低电压指令（lvd）的限制范围内增加母线电压。在太阳能行业的早期阶段，被认为是 低 压等级的限制在欧洲（1500v）和美国（1000v）之间有所不同，但现在已经统一为1500v。
赛米控丹佛斯开发了多个应用样品，测试各种三电平拓扑结构的优势，以确定一个现实可用的方案。例如，npc拓扑结构允许开关在一半的直流电压下工作，但有一个长的换向回路，增加了杂散电感，也增加了电压尖峰的可能性并影响开关特性。另一方面，tnpc拓扑结构具有相对较短的换流回路，但需要具有较高半导体阻断电压的器件，这就增加了开关损耗。
由于semix5具有广泛的产品组合和灵活性，许多应用样品是基于其开发的。早期的semix 5应用样品使用了skyper 42 lj驱动核心，后来我们专门为运行在1500v和160kva范围内的三电平太阳能测试平台的驱动盒升级为skyper 12 pv。两个skyper 12 pv驱动核可以安装在一个semix 5上，每个都能驱动两个igbt，通过图4所示的蓝色应用样品板连接。蓝色板实际上为一个代号，表明它们没有经过严格的赛米控丹佛斯资格认证。另一方面，驱动核是赛米控丹佛斯的完全认证合格的目录产品，由pcb的绿色表示。
图4：带有两个skyper 12光伏驱动核心的semix 5 三电平单相应用样品
随着1500v太阳能应用成为主流，逆变器功率不断增加，有必要对npc拓扑结构的产品范围进行进一步扩展。赛米控丹佛斯开发了semitrans 10 splitnpc，每个单相桥臂由两个功率模块组成，每个模块含有一个半桥电路和一个中性点钳位二极管。最初基于igbt e4，semitrans 10封装了1200v的器件，在1500v时为过冲提供了充足的空间，减少了应用中宇宙射线故障率。为了给客户提供一个简便的方案，使skyper 42 lj光伏驱动核适应高功率模块，赛米控丹佛斯开发了一个新的应用样品，能够在风冷的情况下达到1.2mw，如图5所示。赛米控丹佛斯法国公司的电力电子系统组件小组随后在该设计的基础上开发了新的、完全合格的电力电子组件，进一步缩短了产品上市时间。
图5：带有应用板和skyper 42 lj pv的semitrans 10 mli模块的单相样品
三电平的短路保护
为了在短路时保护逆变器，晶体管必须在指定的时间段内关闭，即tpsc。在短路情况下，igbt可能会承受多倍于其额定电流，因此必须在例如8或10µs内检测并关闭这种异常电流。应用样品直接在栅极驱动电路的次侧实现短路保护，以提供更快的响应，而不是等待错误信号被送过隔离电路，由一次侧控制器处理，并将关断命令送回来。与两电平相比，这个过程在三电平拓扑结构中更加复杂，不仅是由于关断顺序，而且增加了npc电感回路或使得电压余量更小。
当发生短路时，igbt中的集电极电流增加，这增加了集电极发射极饱和电压，vce,sat。驱动板可以测量vce,sat以确定是否发生短路，但必须等到igbt完全处于开启状态。在应用样本中，为了确保igbt完全开启，检测电路必须等待一个预先设定的 盲区时间。
大电流的快速关断不可避免地意味着高di/dt，由于杂散电感导致高电压尖峰，而杂散电感在电源电路中一直存在。放慢igbt的开关速度可以增加igbt的关断时间（dt），这减小了di/dt，也减小了igbt集电极和发射极上的电压尖峰。此外，当在小的电压余量下工作时，有源箝位是另一种减少电压尖峰的方法。
有源箝位是用来限制杂散电感引起的电压，以便晶体管不超过其额定电压。在实践中，这可能变得相当复杂。如图6所示，瞬态电压抑制二极管（tvs）被放在igbt的集电极和栅极之间。在选择tvs二极管时，必须使其保护电压大于igbt的工作电压，但低于最大额定电压。选择正确的器件具有很大的挑战性，因为所选的器件必须考虑器件公差的堆积。器件的电压特性也往往取决于温度。然后由电阻（图6中的rclamp）限制对栅极充电的电流，一个标准的二极管防止驱动器在标准操作中向集电极充电。如果skyper 12检测到一个箝制状态，它将驱动级与栅极断开，以便主动箝位和驱动的栅极充电效果不会相互影响。虽然semix 5应用样品只包含两个箝位电路保护最关键的igbt（t2、t3），但semitrans 10适配器板提供了足够的空间来增加所有igbt的箝位电路。应用工程团队在实验室里花了无数个月的时间研究semix 5和semitrans 10应用样品，对主动箝位电路进行微调。
图6：semix5应用样本的有源箝位电路
功率因数<1
随着对储能需求的增加，许多开发太阳能逆变器的公司开始将储能转换器加入其产品组合。在大多数情况下，太阳能和储能的硬件非常相似：一个三相逆变器将直流电源（现在是电池而不是太阳能电池板）与交流电网耦合。这一概念有助于将太阳能市场的规模经济复制到储能上，使转换器的成本降到最低。然而，随着电池的充电，转换器中的功率方向发生逆转的情况偶有发生。这种负功率因素（cos(phi) = -1）的操作意味着转换器中的二极管要承受更高的占空比。例如，在npc拓扑结构中，钳位二极管d5/d6成为对电池充电时最大功率的限制因素。
由于芯片的创新，第7代igbt在相同的额定电流下提供了更小的芯片，使igbt的额定电流从1200a增加到1400a，并腾出了空间来扩大箝位二极管。不仅semitrans 10被更新了封装m7 igbt和更大的二极管，应用样品也同样更新了配置。赛米控丹佛斯法国公司的电力电子工程师随后在这个应用样品的基础上开发了一个完全合格的电力电子系统组件，以进一步缩短开发时间（图7）。
图7：基于semitrans 10的三相风冷电力电子组件，能够达到1.25mw
目前，许多国家正在推动增加可再生能源以替代传统发电方式。在这种趋势下，这些国家相应更新了他们的电网规范，以进一步确保其稳定性，通常包括低电压穿越（lvrt）条件的标准。由于世界各地的电网包含50%至100%的可再生能源，它们需要在停电或断电时继续运行。这种故障会导致并网逆变器以接近零的功率因数输出低电压。在这种情况下，有源中性点钳制（anpc）拓扑结构具有明显的优势。额外的晶体管使中性点电流在更多的器件之间分配，降低了芯片温度和损耗。[1]
为了测试这一理论，开发了图8所示的应用样本。该应用样本构成了anpc拓扑结构（图2右侧）的单个桥臂，通过配备三个带有最新m7 igbt的semitrans 20半桥模块，能够达到1.3mw。anpc拓扑结构为正负功率因数提供了一个优化的解决方案，消除了在cos(phi)=-1时需要的降额。这使得采用赛米控丹佛斯的最新功率模块semitrans 20的开发速度更快，该模块采用工业标准封装设计，适用于高功率应用。
图8：风冷式semitrans 20 anpc应用样品的单相桥臂，能够达到1.3mw
结论
太阳能市场中唯一不变的是变化。随着太阳能逆变器市场的发展，赛米控丹佛斯的应用样品也将随之更新。主要目的是为了更好地支持客户的发展，同时也促进赛米控丹佛斯对客户需求的内部探索。赛米控丹佛斯每年都会开发新的应用样品，为客户提供一个开发起点，减少他们的开发时间。赛米控丹佛斯不是简单地制造和销售硬件，而是给客户提供设计文件，以实现设计的灵活性和快速市场响应。全球的应用工程师网络也支持客户根据他们的需求调整应用样品，使赛米控丹佛斯成为电力电子领域的终极合作伙伴。
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早在2000年，公用事业光伏就有了一些零星发展，而真正的突飞猛进是在2009-2012的三年里，太阳能年安装量从58mw增加到1.8gw，增长了30倍（图1）。根据国际能源署的数据，在2021年，公用事业的太阳能年安装量增长到近80gw。由于发电依赖于日/夜周期和天气，当大型分散的太阳能能源向电网输送电力时，人们对电网稳定性也日益关注。电力对大多数人来说是必不可少的，因此存在着降低总体成本（$/w）的压力，这个任务落到逆变器设计上就是同时降低系统成本和提高功率。
图1：历史上各年的全球太阳能装机量
这些要求驱动了电源转换器的一些技术发展趋势，包括：
- 缩小滤波器的尺寸（同时满足新的电能质量要求）
- 增加直流电压能力（如1500v）
- 改善电网支持（如无功功率、低电压穿越（lvrt）能力）
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这些技术趋势通常由不同的转换拓扑结构来实现，而这些拓扑结构的开发颇为复杂。赛米控丹佛斯研发并组装了这些拓扑结构的电源模块，同时也研发了相应的应用板，以适配连接标准的驱动器核心，以实现设备的门极控制，并提供对更复杂的开关模式错误处理的提示。此外我们还向客户提供电路示意图、电路板布局和技术说明文件，帮助客户在生产设计上获得一个良好的起步。
这些应用板的诞生开启了完整的 应用样品 的发展，其中模块、应用板、驱动器、散热器、直流链路等被集成到一个可带载工作的阶段。这些应用样品在提供给客户工作电路原理的基础上了做了进一步拓展，其中关键的连接（如换向回路）已经设计完成并经过测试。
由miniskiip 3-l应用样品向三电平的转变
为了维持电网的质量，比如像ieee 519这样的法规规定，最大的单个谐波为3%，总谐波失真为5%。网侧带有电感和电容的并网滤波器将输出电流平滑为正弦波，要求太阳能逆变器输出控制在最大谐波允许范围内。提高并网逆变器的开关频率可以缩小电网滤波器的尺寸和减少材料成本。然而，开关频率受到每次晶体管开启和关闭过程中产生的损耗限制。为解决这个问题，三电平拓扑结构应运而生，与两电平转换器相比，需要过滤的纹波频率几乎翻了一番。这个方案使用了更多的芯片和驱动元件，产生了额外的成本，因此它需要一个平衡来降低总的系统成本。图2展示了一些典型的三电平拓扑结构，例如：
- npc: 中性点钳位
- tnpc: t型中性钳位
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图2: 经典的三电平拓扑
尽管许多电力电子研发人员在两电平电机逆变器方面有开发经验，如电机驱动，但较少有三电平拓扑结构方面的经验。因此，赛米控丹佛斯开发了第一个基于miniskiip使用npc拓扑结构的应用样品。该评估系统支持三电平软件开发，同时具有硬件保护功能，使用户在开发代码时更加安全。
每一相桥臂都带有单独的复杂可编程器件（cpld）检测igbt的开关顺序，死区时间和pwm顺序。来自控制接口的pwm信号通过cpld，随后与开关状态表进行比较，如图3。如果pwm模式在图3中标记为绿色的区域（允许的开关状态），门极信号将被允许通过驱动器输出级。然而，破坏性状态会导致三个直流连接点中的至少两个直接短路，造成电流击穿，从而损坏晶体管。
在潜在损坏时序状态下，外侧晶体管处于开启状态，内侧晶体管处于关闭状态，电流通过电感放电产生潜在的过压损坏晶体管，如果因pwm模式而导致破坏性或潜在的破坏性状态，cpld将使用正确的开关顺序关闭每一相的桥臂。
图3：npc拓扑结构的安全、破坏性和潜在的破坏性开关模式
此外，cpld将测量的模拟信号与电流、温度和电压的最大允许值进行比较。如果其中任何一个超过了安全操作范围，cpld将关闭相应的桥臂。然后，它确保npc拓扑结构的内管（t2、t3）在外管（t1、t4）之前打开，外管在内管之前关闭。一旦桥臂回到安全操作区，cpld就允许恢复操作。
在1500vdc下增加功率
在大型电厂中，由于电缆损耗（i²r）和材料成本的原因，增加电流以提高输出功率变得令人望而却步，因此提高电压等级作为目标更加具有成本效益。为了避免触及到中压等级而产生的成本和安全问题，常规的做法是在低电压指令（lvd）的限制范围内增加母线电压。在太阳能行业的早期阶段，被认为是 低 压等级的限制在欧洲（1500v）和美国（1000v）之间有所不同，但现在已经统一为1500v。
赛米控丹佛斯开发了多个应用样品，测试各种三电平拓扑结构的优势，以确定一个现实可用的方案。例如，npc拓扑结构允许开关在一半的直流电压下工作，但有一个长的换向回路，增加了杂散电感，也增加了电压尖峰的可能性并影响开关特性。另一方面，tnpc拓扑结构具有相对较短的换流回路，但需要具有较高半导体阻断电压的器件，这就增加了开关损耗。
由于semix5具有广泛的产品组合和灵活性，许多应用样品是基于其开发的。早期的semix 5应用样品使用了skyper 42 lj驱动核心，后来我们专门为运行在1500v和160kva范围内的三电平太阳能测试平台的驱动盒升级为skyper 12 pv。两个skyper 12 pv驱动核可以安装在一个semix 5上，每个都能驱动两个igbt，通过图4所示的蓝色应用样品板连接。蓝色板实际上为一个代号，表明它们没有经过严格的赛米控丹佛斯资格认证。另一方面，驱动核是赛米控丹佛斯的完全认证合格的目录产品，由pcb的绿色表示。
图4：带有两个skyper 12光伏驱动核心的semix 5 三电平单相应用样品
随着1500v太阳能应用成为主流，逆变器功率不断增加，有必要对npc拓扑结构的产品范围进行进一步扩展。赛米控丹佛斯开发了semitrans 10 splitnpc，每个单相桥臂由两个功率模块组成，每个模块含有一个半桥电路和一个中性点钳位二极管。最初基于igbt e4，semitrans 10封装了1200v的器件，在1500v时为过冲提供了充足的空间，减少了应用中宇宙射线故障率。为了给客户提供一个简便的方案，使skyper 42 lj光伏驱动核适应高功率模块，赛米控丹佛斯开发了一个新的应用样品，能够在风冷的情况下达到1.2mw，如图5所示。赛米控丹佛斯法国公司的电力电子系统组件小组随后在该设计的基础上开发了新的、完全合格的电力电子组件，进一步缩短了产品上市时间。
图5：带有应用板和skyper 42 lj pv的semitrans 10 mli模块的单相样品
三电平的短路保护
为了在短路时保护逆变器，晶体管必须在指定的时间段内关闭，即tpsc。在短路情况下，igbt可能会承受多倍于其额定电流，因此必须在例如8或10µs内检测并关闭这种异常电流。应用样品直接在栅极驱动电路的次侧实现短路保护，以提供更快的响应，而不是等待错误信号被送过隔离电路，由一次侧控制器处理，并将关断命令送回来。与两电平相比，这个过程在三电平拓扑结构中更加复杂，不仅是由于关断顺序，而且增加了npc电感回路或使得电压余量更小。
当发生短路时，igbt中的集电极电流增加，这增加了集电极发射极饱和电压，vce,sat。驱动板可以测量vce,sat以确定是否发生短路，但必须等到igbt完全处于开启状态。在应用样本中，为了确保igbt完全开启，检测电路必须等待一个预先设定的 盲区时间。
大电流的快速关断不可避免地意味着高di/dt，由于杂散电感导致高电压尖峰，而杂散电感在电源电路中一直存在。放慢igbt的开关速度可以增加igbt的关断时间（dt），这减小了di/dt，也减小了igbt集电极和发射极上的电压尖峰。此外，当在小的电压余量下工作时，有源箝位是另一种减少电压尖峰的方法。
有源箝位是用来限制杂散电感引起的电压，以便晶体管不超过其额定电压。在实践中，这可能变得相当复杂。如图6所示，瞬态电压抑制二极管（tvs）被放在igbt的集电极和栅极之间。在选择tvs二极管时，必须使其保护电压大于igbt的工作电压，但低于最大额定电压。选择正确的器件具有很大的挑战性，因为所选的器件必须考虑器件公差的堆积。器件的电压特性也往往取决于温度。然后由电阻（图6中的rclamp）限制对栅极充电的电流，一个标准的二极管防止驱动器在标准操作中向集电极充电。如果skyper 12检测到一个箝制状态，它将驱动级与栅极断开，以便主动箝位和驱动的栅极充电效果不会相互影响。虽然semix 5应用样品只包含两个箝位电路保护最关键的igbt（t2、t3），但semitrans 10适配器板提供了足够的空间来增加所有igbt的箝位电路。应用工程团队在实验室里花了无数个月的时间研究semix 5和semitrans 10应用样品，对主动箝位电路进行微调。
图6：semix5应用样本的有源箝位电路
功率因数<1
随着对储能需求的增加，许多开发太阳能逆变器的公司开始将储能转换器加入其产品组合。在大多数情况下，太阳能和储能的硬件非常相似：一个三相逆变器将直流电源（现在是电池而不是太阳能电池板）与交流电网耦合。这一概念有助于将太阳能市场的规模经济复制到储能上，使转换器的成本降到最低。然而，随着电池的充电，转换器中的功率方向发生逆转的情况偶有发生。这种负功率因素（cos(phi) = -1）的操作意味着转换器中的二极管要承受更高的占空比。例如，在npc拓扑结构中，钳位二极管d5/d6成为对电池充电时最大功率的限制因素。
由于芯片的创新，第7代igbt在相同的额定电流下提供了更小的芯片，使igbt的额定电流从1200a增加到1400a，并腾出了空间来扩大箝位二极管。不仅semitrans 10被更新了封装m7 igbt和更大的二极管，应用样品也同样更新了配置。赛米控丹佛斯法国公司的电力电子工程师随后在这个应用样品的基础上开发了一个完全合格的电力电子系统组件，以进一步缩短开发时间（图7）。
图7：基于semitrans 10的三相风冷电力电子组件，能够达到1.25mw
目前，许多国家正在推动增加可再生能源以替代传统发电方式。在这种趋势下，这些国家相应更新了他们的电网规范，以进一步确保其稳定性，通常包括低电压穿越（lvrt）条件的标准。由于世界各地的电网包含50%至100%的可再生能源，它们需要在停电或断电时继续运行。这种故障会导致并网逆变器以接近零的功率因数输出低电压。在这种情况下，有源中性点钳制（anpc）拓扑结构具有明显的优势。额外的晶体管使中性点电流在更多的器件之间分配，降低了芯片温度和损耗。[1]
为了测试这一理论，开发了图8所示的应用样本。该应用样本构成了anpc拓扑结构（图2右侧）的单个桥臂，通过配备三个带有最新m7 igbt的semitrans 20半桥模块，能够达到1.3mw。anpc拓扑结构为正负功率因数提供了一个优化的解决方案，消除了在cos(phi)=-1时需要的降额。这使得采用赛米控丹佛斯的最新功率模块semitrans 20的开发速度更快，该模块采用工业标准封装设计，适用于高功率应用。
图8：风冷式semitrans 20 anpc应用样品的单相桥臂，能够达到1.3mw
结论
太阳能市场中唯一不变的是变化。随着太阳能逆变器市场的发展，赛米控丹佛斯的应用样品也将随之更新。主要目的是为了更好地支持客户的发展，同时也促进赛米控丹佛斯对客户需求的内部探索。赛米控丹佛斯每年都会开发新的应用样品，为客户提供一个开发起点，减少他们的开发时间。赛米控丹佛斯不是简单地制造和销售硬件，而是给客户提供设计文件，以实现设计的灵活性和快速市场响应。全球的应用工程师网络也支持客户根据他们的需求调整应用样品，使赛米控丹佛斯成为电力电子领域的终极合作伙伴。
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