大功率光伏電站是未來清潔能源的重要組成部分，其功率等級也隨著用電需求的增加越來越大。本文利用最新的IGBT7大功率PrimePACK™模塊，開發了適用于目前1500VDC光伏系統的解決方案，具有業界最高的功率密度。

01三電平在光伏系統中的應用

光伏逆變器注重效率的要求，因此三電平電路在這個應用中光伏采用。而1500VDC光伏系統需要功率半導體器件滿足低宇宙射線失效率，因此用1200V耐壓等級的模塊去拼接NPC1型三電平已經成為目前大功率光伏逆變器最常見的解決方案[1][2]。

這種NPC1的方案也存在一些問題。如在系統需要無功功率運行狀態下（PF<1）,負載電流需要通過長回路進行換流（如圖1），這時的環路電感甚至可以>100nH，從而引發關斷電壓尖峰等問題。如果為解決這個問題而使用較大的門極電阻，又會造成開關損耗增加，效率降低的問題。

圖1. NPC1三電平拓撲的長換流路徑

在1000VDC光伏系統的時代，NPC2拓撲曾被廣泛采用。這種拓撲比NPC1省去了兩個鉗位二極管，控制也相對簡單且同樣有較高的效率。但是由于該拓撲中的兩個豎管需要承受整個母線電壓，所以需要解決高壓下宇宙射線失效率的問題，這也是NPC2三電平結構沒有從1000VDC系統直接過渡到1500VDC系統的最主要原因。

02光伏逆變器的大功率IGBT7模塊靈活解決

本文提出的解決方案基于兩種PrimePACK™ IGBT模塊，半橋模塊采用2300V電壓等級的TRENCHSTOP™ IGBT7模塊，橫管采用共集電極的1200V電壓等級模塊，同樣采用基于微溝槽柵（MPT）的TRENCHSTOP™  IGBT7技術。如圖2所示。

圖2. 基于IGBT7模塊的解決方案

采用這兩種模塊的方案考慮到了1500VDC下的宇宙射線失效問題，并且可以做到目前業界最高的功率密度。半橋模塊從上一代模塊（FF1800R17IP5）1700V的電壓等級增加到2300V，但是額定電流保持1800A不變；橫管模塊跟同樣電壓等級的上一代模塊（FF1800R12IE5）相比，電流提升了33%，從1800A增加到2400A。

這兩種最新的功率模塊可以在光伏系統中采用不同的組合形式來實現不同功率等級的輸出：只采用半橋模塊的2L兩電平拓撲；一個半橋模塊加一個橫管組成的NPC2拓撲（圖2）；兩個半橋模塊并聯（2*1800A）加一個橫管組合的NPC2拓撲。

03光伏逆變器系統低雜感設計

如何減小回路電感是逆變器系統設計的關鍵問題。為此本文的方案從功率器件到系統母排設計都做了考慮。

對于橫管共集電極模塊的設計，在一個封裝中的雙向開關器件實現了很低的雜感設計。如下圖3所示，模塊中成對母排中電流方向相反，從而最大限度降低模塊中的雜散電感。模塊的主功率端子采用正負交替排列的方式，四對母排的設計也同時兼顧了電流輸出能力。

圖3. 共集電極PrimePACK™模塊內部結構圖

系統直流母排和交流母排的設計會影響整個功率單元的電氣、機械和熱特性。為了降低雜散電感，通常采用疊層母排。但是疊層母排如果超過三層，其重量和成本也會明顯增加，為此在本文的解決方案中，直流側采用三層疊層母排，把交流母排組合在一起的時候做了一個避免交疊的設計，避免四層疊層的出現。如下圖4所示。

圖4. 功率單元疊層母排設計圖

04電氣特性實驗驗證

為了驗證本文方案的輸出特性，我們在實驗室搭建了一個功率單元。采用了前文所述的兩個2300V的半橋模塊并聯加上一個1200V橫管的3模塊方案，采用上一小結設計的疊層母排。

首先測試的是模塊的動態特性，雙脈沖實驗。母線電壓為正負650V（光伏逆變器全功率輸出最常用的電壓），負載電流2400A（橫管的額定電流）。下圖顯示了在室溫下T1管（半橋模塊上管）的開通和關斷波形。半橋的2300V IGBT芯片設計為高壓的快速芯片，可以通過調整門極電阻來調整開關的軟度。在本文的測試中，T1管的半橋模塊的換流是通過1200V的共集電極橫管模塊來實現的，關斷過電壓為190V。

圖5. 半橋模塊開通和關斷波形

本文方案采用兩個半橋模塊并聯的方案，所以兩個模塊的均流特性也需要試驗驗證其均流特性。下圖是兩個半橋模塊上管的開通和關斷電流波形，可以看出兩個并聯模塊的均流差異小于3%。

圖6. 并聯半橋模塊在開通關斷時的均流波形

1200V橫管的測試條件與半橋模塊一樣，下圖為橫管的開關波形。測試電壓和電流與之前測試一致。橫管的關斷過電壓為180V。

圖7. 橫管開通和關斷波形

由于篇幅有限，更多測試波形如反向恢復，小電流正當測試等在這里不一列舉。

05最大輸出功率的熱評估

為了評估本文方案的功率輸出能力，熱測試是必須的環節。首先，基于光伏集中式逆變器現場工況用IPOSIM對模塊進行損耗的仿真。得出系統在不同輸出功率時，每個模塊的損耗數值。然后對預埋熱電偶的IGBT模塊通入恒定的電流，半橋模塊通入直流電流，共集電極模塊通入交流電流。由于模塊在電流經過時，芯片都會有一定的壓降，所以可以通過流過模塊的電流大小來控制每個模塊的發熱量。根據之前模塊的仿真結果，逐漸加大電流，使模塊的損耗逐漸增加，同時通過熱電偶來觀測模塊芯片溫度的升高情況，在模塊芯片溫度達到所允許的最高結溫時，記錄下此時模塊的損耗。對照之前損耗仿真，就可以得出該方案所組成的逆變器最大輸出功率。根據最終的測試結果可以看到，該方案的最大輸出功率可以達到2MW。

06總結

本文基于最新一代IGBT7技術的PrimePACK™模塊，提出了一種適用于1500V光伏逆變器的解決方案。2.3kV的半橋模塊和1.2kV的共集電極模塊組成了NPC2拓撲，控制簡單且可靠性更高。為了實現最大的單元輸出功率，兩個半橋模塊并聯加一個橫管的方案被采用，雙脈沖實驗證明了良好的電氣特性，熱測試證明該功率單元可以最大輸出2MW功率。

參考文獻

[1] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Yong Yang, Jia Zhao , “1500V solar inverter at megawatts level in NPC1 topology enabled by high-density IGBT module”, Tencon 2016

[2] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Jia Zhao , Xinyu Sun, “Design of NPC1 power stack beyond megawatt for 1500V solar inverter application”, ECCE Asia 2017