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2024-06-14
來源：英飛凌工業半導體
隨著功率半導體技術的發展，三電平拓撲廣泛應用在光伏逆變器，儲能 PCS 和 UPS 等各種系統中。在設計中，追求的重要目標是功率密度和性價比，充分挖掘逆變器的潛力，在不提升成本的同時增加 IGBT 模組的輸出電流能力，同時提高整機效率。
本文以英飛凌的 Easy 4B 模組應用為例，引入 DPWM（Discontinue Pulse Width Modulation）調製方式，這就可以在不增加成本的基礎上，提高模組的輸出電流能力，實現最高 350kW（320kW*110% 長期超載）的高效光伏逆變器設計。
DPWM 調製方式的原理是通過減少開關次數來顯著降低變流器的開關損耗。本文將對比介紹 CPWM（Continue Pulse Width Modulation）和 DPWM 的基本原理，比較不同的 DPWM 類型，模擬給出了 SVPWM 和 DPWM 調製方法下，ANPC 模組在 320kW 組串式光伏逆變器中的的損耗和溫升。
CPWM 簡介
在光伏逆變器領域中，CPWM 仍然佔據主導地位。常見的 CPWM 包括 SPWM、三次諧波注入 PWM，SVPWM 等，這些調製演算法的特徵是每相調製波形連續，功率半導體器件在每一個開關週期中都要開關一次。目前在三相逆變器中應用最廣泛的是 SVPWM，其是基於計算的調製演算法，具有成熟度高、數位化容易、直流母線利用率高、輸出 THD 低的優點。不同 CPWM 的調製波形如圖 1 所示。
DPWM 簡介
DPWM 的優勢在於其可以通過減少開關次數顯著降低功率半導體器件的開關損耗。與 CPWM 不同，DPWM 的每一相的調製波會在三分之一個工頻週期內被鉗位到 0 或者 1，由此可以減少三分之一的開關動作，進而降低開關損耗。這也是其被稱為“不連續”的原因。
如圖 2 和圖 3(a) 所示，在傳統的 SVPWM 中，每個開關週期會使用兩個零向量 U0(000) 和 U7(111)，其會佔據開關週期的中間和兩端的時刻。每個開關週期中有七段向量組合，由此又稱七段式 PWM。而 DPWM 在每個開關週期中只使用一種零向量，從而每個開關週期中有一相的開關管可以不動作，如圖 3(b) 所示。每個週期中只有五段向量組合，由此又稱五段式 PWM。
根據使用的零向量及其使用的時機不同，DPWM 可以被分為六種：DPWM0、DPWM1、DPWM2、DPWM3、DPWMMAX、DPWMMIN。由圖 4 可見，不同 DPWM 的鉗位元時刻不一樣，如果根據實際功率因數選擇合適的 DPWM 方式，使得電流最大的時候功率半導體器件被鉗位，那就可以最大程度的降低開關損耗。比如光伏逆變器的功率因數典型值為 1，電壓與電流同相位，那麼採用圖 4(b) 所示的 DPWM1 的調製演算法就可以實現最低的損耗。
模擬分析
接下來以 320kW ANPC 拓撲的組串式光伏逆變器為背景，對比不同調製演算法的效率和溫升。模擬工況如表一所示
設計使用英飛凌針對 300kW+ 光伏組串逆變器開發的 ANPC 模組，型號為 F3L600R10W4S7F_C22，封裝為 Easy 4B，其 IGBT 晶片使用了英飛凌最新的 IGBT7 技術，並在 D5/D6 使用了 SiC 二極體來提高效率。其拓撲結構如圖 5 所示。IGBT 模組的 PLECS 模擬模型為英飛凌官網下載。
調製方式選擇為 ANPC-1 即 T2/T3 工頻動作，T1/T2/T5/T6 高頻動作，全短換流路徑。將模擬工況結合模擬模型並在 PLECS 平臺上進行模擬，換用不同的調製策略並記錄每個晶片的損耗如圖 6 所示，晶片結溫及整機效率如圖 7 所示。
當功率因數 PF 接近于 1 時，T1/D5/T4/D6 同時產生導通損耗和開關損耗，而 T2/T3 由於開關頻率為工頻，近似認為只有導通損耗。兩種 CPWM 方法（三次諧波注入 PWM 和 SVPWM）的損耗幾乎相同並且最高約等於 820W。而各種 DPWM 的開關損耗顯著降低，其中 DPWM1 的損耗最低，僅為 715W，比 CPWM 降低了約 12.8%。這是因為其保證了最大電流流過開關管時無開關動作。受此影響，對應的最高結溫 Tvj1 也由 CPWM 的 141°C 降低到 DPWM1 的 128°C。DPWM0 和 DPWM2 具有相同的功率損耗，因為它們的鉗位區間相對於 PF≈1 工況的相移相反且移動程度相同，它們最適用於需要少量無功的工況。
總結
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