應(yīng)用樣品的進階之路

開發(fā)預(yù)制電力電子組件以簡化公用事業(yè)

太陽能逆變器研發(fā)工作的發(fā)展歷程

作者：Emiliano Meza, SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG

太陽能的蓬勃發(fā)展

早在2000年，公用事業(yè)光伏就有了一些零星發(fā)展，而真正的突飛猛進是在2009-2012的三年里，太陽能年安裝量從58MW增加到1.8GW，增長了30倍（圖1）。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，在2021年，公用事業(yè)的太陽能年安裝量增長到近80GW。由于發(fā)電依賴于日/夜周期和天氣，當大型分散的太陽能能源向電網(wǎng)輸送電力時，人們對電網(wǎng)穩(wěn)定性也日益關(guān)注。電力對大多數(shù)人來說是必不可少的，因此存在著降低總體成本（$/W）的壓力，這個任務(wù)落到逆變器設(shè)計上就是同時降低系統(tǒng)成本和提高功率。

圖1：歷史上各年的全球太陽能裝機量

這些要求驅(qū)動了電源轉(zhuǎn)換器的一些技術(shù)發(fā)展趨勢，包括：

- 縮小濾波器的尺寸（同時滿足新的電能質(zhì)量要求）

- 增加直流電壓能力（如1500V）

- 改善電網(wǎng)支持（如無功功率、低電壓穿越（LVRT）能力）

- 與儲能系統(tǒng)更好地整合（雙向運行）

這些技術(shù)趨勢通常由不同的轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，而這些拓撲結(jié)構(gòu)的開發(fā)頗為復(fù)雜。賽米控丹佛斯研發(fā)并組裝了這些拓撲結(jié)構(gòu)的電源模塊，同時也研發(fā)了相應(yīng)的"應(yīng)用板"，以適配連接標準的驅(qū)動器核心，以實現(xiàn)設(shè)備的門極控制，并提供對更復(fù)雜的開關(guān)模式錯誤處理的提示。此外我們還向客戶提供電路示意圖、電路板布局和技術(shù)說明文件，幫助客戶在生產(chǎn)設(shè)計上獲得一個良好的起步。

這些應(yīng)用板的誕生開啟了完整的 "應(yīng)用樣品 "的發(fā)展，其中模塊、應(yīng)用板、驅(qū)動器、散熱器、直流鏈路等被集成到一個可帶載工作的階段。這些應(yīng)用樣品在提供給客戶工作電路原理的基礎(chǔ)上了做了進一步拓展，其中關(guān)鍵的連接（如換向回路）已經(jīng)設(shè)計完成并經(jīng)過測試。

由MiniSKiiP 3-L應(yīng)用樣品向三電平的轉(zhuǎn)變

為了維持電網(wǎng)的質(zhì)量，比如像IEEE 519這樣的法規(guī)規(guī)定，最大的單個諧波為3%，總諧波失真為5%。網(wǎng)側(cè)帶有電感和電容的并網(wǎng)濾波器將輸出電流平滑為正弦波，要求太陽能逆變器輸出控制在最大諧波允許范圍內(nèi)。提高并網(wǎng)逆變器的開關(guān)頻率可以縮小電網(wǎng)濾波器的尺寸和減少材料成本。然而，開關(guān)頻率受到每次晶體管開啟和關(guān)閉過程中產(chǎn)生的損耗限制。為解決這個問題，三電平拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生，與兩電平轉(zhuǎn)換器相比，需要過濾的紋波頻率幾乎翻了一番。這個方案使用了更多的芯片和驅(qū)動元件，產(chǎn)生了額外的成本，因此它需要一個平衡來降低總的系統(tǒng)成本。圖2展示了一些典型的三電平拓撲結(jié)構(gòu)，例如：

- NPC: 中性點鉗位

- TNPC: T型中性鉗位

- ANPC: 有源中性點鉗位

圖2: 經(jīng)典的三電平拓撲

盡管許多電力電子研發(fā)人員在兩電平電機逆變器方面有開發(fā)經(jīng)驗，如電機驅(qū)動，但較少有三電平拓撲結(jié)構(gòu)方面的經(jīng)驗。因此，賽米控丹佛斯開發(fā)了第一個基于MiniSKiiP使用NPC拓撲結(jié)構(gòu)的應(yīng)用樣品。該評估系統(tǒng)支持三電平軟件開發(fā)，同時具有硬件保護功能，使用戶在開發(fā)代碼時更加安全。

每一相橋臂都帶有單獨的復(fù)雜可編程器件（CPLD）檢測IGBT的開關(guān)順序，死區(qū)時間和PWM順序。來自控制接口的PWM信號通過CPLD，隨后與開關(guān)狀態(tài)表進行比較，如圖3。如果PWM模式在圖3中標記為綠色的區(qū)域（允許的開關(guān)狀態(tài)），門極信號將被允許通過驅(qū)動器輸出級。然而，破壞性狀態(tài)會導(dǎo)致三個直流連接點中的至少兩個直接短路，造成電流擊穿，從而損壞晶體管。

在潛在損壞時序狀態(tài)下，外側(cè)晶體管處于開啟狀態(tài)，內(nèi)側(cè)晶體管處于關(guān)閉狀態(tài)，電流通過電感放電產(chǎn)生潛在的過壓損壞晶體管，如果因PWM模式而導(dǎo)致破壞性或潛在的破壞性狀態(tài)，CPLD將使用正確的開關(guān)順序關(guān)閉每一相的橋臂。

圖3：NPC拓撲結(jié)構(gòu)的安全、破壞性和潛在的破壞性開關(guān)模式

此外，CPLD將測量的模擬信號與電流、溫度和電壓的最大允許值進行比較。如果其中任何一個超過了安全操作范圍，CPLD將關(guān)閉相應(yīng)的橋臂。然后，它確保NPC拓撲結(jié)構(gòu)的內(nèi)管（T2、T3）在外管（T1、T4）之前打開，外管在內(nèi)管之前關(guān)閉。一旦橋臂回到安全操作區(qū)，CPLD就允許恢復(fù)操作。

在1500VDC下增加功率

在大型電廠中，由于電纜損耗（I2R）和材料成本的原因，增加電流以提高輸出功率變得令人望而卻步，因此提高電壓等級作為目標更加具有成本效益。為了避免觸及到中壓等級而產(chǎn)生的成本和安全問題，常規(guī)的做法是在低電壓指令（LVD）的限制范圍內(nèi)增加母線電壓。在太陽能行業(yè)的早期階段，被認為是 "低 "壓等級的限制在歐洲（1500V）和美國（1000V）之間有所不同，但現(xiàn)在已經(jīng)統(tǒng)一為1500V。

賽米控丹佛斯開發(fā)了多個應(yīng)用樣品，測試各種三電平拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，以確定一個現(xiàn)實可用的方案。例如，NPC拓撲結(jié)構(gòu)允許開關(guān)在一半的直流電壓下工作，但有一個長的換向回路，增加了雜散電感，也增加了電壓尖峰的可能性并影響開關(guān)特性。另一方面，TNPC拓撲結(jié)構(gòu)具有相對較短的換流回路，但需要具有較高半導(dǎo)體阻斷電壓的器件，這就增加了開關(guān)損耗。

由于SEMiX5具有廣泛的產(chǎn)品組合和靈活性，許多應(yīng)用樣品是基于其開發(fā)的。早期的SEMiX 5應(yīng)用樣品使用了SKYPER 42 LJ驅(qū)動核心，后來我們專門為運行在1500V和160kVA范圍內(nèi)的三電平太陽能測試平臺的驅(qū)動盒升級為SKYPER 12 PV。兩個SKYPER 12 PV驅(qū)動核可以安裝在一個SEMiX 5上，每個都能驅(qū)動兩個IGBT，通過圖4所示的藍色應(yīng)用樣品板連接。藍色板實際上為一個代號，表明它們沒有經(jīng)過嚴格的賽米控丹佛斯資格認證。另一方面，驅(qū)動核是賽米控丹佛斯的完全認證合格的目錄產(chǎn)品，由PCB的綠色表示。

圖4：帶有兩個SKYPER 12光伏驅(qū)動核心的SEMiX 5 三電平單相應(yīng)用樣品

隨著1500V太陽能應(yīng)用成為主流，逆變器功率不斷增加，有必要對NPC拓撲結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品范圍進行進一步擴展。賽米控丹佛斯開發(fā)了SEMITRANS 10 SplitNPC，每個單相橋臂由兩個功率模塊組成，每個模塊含有一個半橋電路和一個中性點鉗位二極管。最初基于IGBT E4，SEMITRANS 10封裝了1200V的器件，在1500V時為過沖提供了充足的空間，減少了應(yīng)用中宇宙射線故障率。為了給客戶提供一個簡便的方案，使SKYPER 42 LJ光伏驅(qū)動核適應(yīng)高功率模塊，賽米控丹佛斯開發(fā)了一個新的應(yīng)用樣品，能夠在風冷的情況下達到1.2MW，如圖5所示。賽米控丹佛斯法國公司的電力電子系統(tǒng)組件小組隨后在該設(shè)計的基礎(chǔ)上開發(fā)了新的、完全合格的電力電子組件，進一步縮短了產(chǎn)品上市時間。

圖5：帶有應(yīng)用板和SKYPER 42 LJ PV的SEMITRANS 10 MLI模塊的單相樣品

三電平的短路保護

為了在短路時保護逆變器，晶體管必須在指定的時間段內(nèi)關(guān)閉，即tpsc。在短路情況下，IGBT可能會承受多倍于其額定電流，因此必須在例如8或10μs內(nèi)檢測并關(guān)閉這種異常電流。應(yīng)用樣品直接在柵極驅(qū)動電路的次側(cè)實現(xiàn)短路保護，以提供更快的響應(yīng)，而不是等待錯誤信號被送過隔離電路，由一次側(cè)控制器處理，并將關(guān)斷命令送回來。與兩電平相比，這個過程在三電平拓撲結(jié)構(gòu)中更加復(fù)雜，不僅是由于關(guān)斷順序，而且增加了NPC電感回路或使得電壓余量更小。

當發(fā)生短路時，IGBT中的集電極電流增加，這增加了集電極發(fā)射極飽和電壓，VCE,sat。驅(qū)動板可以測量VCE,sat以確定是否發(fā)生短路，但必須等到IGBT完全處于開啟狀態(tài)。在應(yīng)用樣本中，為了確保IGBT完全開啟，檢測電路必須等待一個預(yù)先設(shè)定的 "盲區(qū)時間"。

大電流的快速關(guān)斷不可避免地意味著高di/dt，由于雜散電感導(dǎo)致高電壓尖峰，而雜散電感在電源電路中一直存在。放慢IGBT的開關(guān)速度可以增加IGBT的關(guān)斷時間（dt），這減小了di/dt，也減小了IGBT集電極和發(fā)射極上的電壓尖峰。此外，當在小的電壓余量下工作時，有源箝位是另一種減少電壓尖峰的方法。

有源箝位是用來限制雜散電感引起的電壓，以便晶體管不超過其額定電壓。在實踐中，這可能變得相當復(fù)雜。如圖6所示，瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）被放在IGBT的集電極和柵極之間。在選擇TVS二極管時，必須使其保護電壓大于IGBT的工作電壓，但低于最大額定電壓。選擇正確的器件具有很大的挑戰(zhàn)性，因為所選的器件必須考慮器件公差的堆積。器件的電壓特性也往往取決于溫度。然后由電阻（圖6中的Rclamp）限制對柵極充電的電流，一個標準的二極管防止驅(qū)動器在標準操作中向集電極充電。如果SKYPER 12檢測到一個箝制狀態(tài)，它將驅(qū)動級與柵極斷開，以便主動箝位和驅(qū)動的柵極充電效果不會相互影響。雖然SEMiX 5應(yīng)用樣品只包含兩個箝位電路保護最關(guān)鍵的IGBT（T2、T3），但SEMITRANS 10適配器板提供了足夠的空間來增加所有IGBT的箝位電路。應(yīng)用工程團隊在實驗室里花了無數(shù)個月的時間研究SEMiX 5和SEMITRANS 10應(yīng)用樣品，對主動箝位電路進行微調(diào)。

圖6：SEMiX5應(yīng)用樣本的有源箝位電路

功率因數(shù)<1

隨著對儲能需求的增加，許多開發(fā)太陽能逆變器的公司開始將儲能轉(zhuǎn)換器加入其產(chǎn)品組合。在大多數(shù)情況下，太陽能和儲能的硬件非常相似：一個三相逆變器將直流電源（現(xiàn)在是電池而不是太陽能電池板）與交流電網(wǎng)耦合。這一概念有助于將太陽能市場的規(guī)模經(jīng)濟復(fù)制到儲能上，使轉(zhuǎn)換器的成本降到最低。然而，隨著電池的充電，轉(zhuǎn)換器中的功率方向發(fā)生逆轉(zhuǎn)的情況偶有發(fā)生。這種負功率因素（cos(phi) = -1）的操作意味著轉(zhuǎn)換器中的二極管要承受更高的占空比。例如，在NPC拓撲結(jié)構(gòu)中，鉗位二極管D5/D6成為對電池充電時最大功率的限制因素。

由于芯片的創(chuàng)新，第7代IGBT在相同的額定電流下提供了更小的芯片，使IGBT的額定電流從1200A增加到1400A，并騰出了空間來擴大箝位二極管。不僅SEMITRANS 10被更新了封裝M7 IGBT和更大的二極管，應(yīng)用樣品也同樣更新了配置。賽米控丹佛斯法國公司的電力電子工程師隨后在這個應(yīng)用樣品的基礎(chǔ)上開發(fā)了一個完全合格的電力電子系統(tǒng)組件，以進一步縮短開發(fā)時間（圖7）。

圖7：基于SEMITRANS 10的三相風冷電力電子組件，能夠達到1.25MW

目前，許多國家正在推動增加可再生能源以替代傳統(tǒng)發(fā)電方式。在這種趨勢下，這些國家相應(yīng)更新了他們的電網(wǎng)規(guī)范，以進一步確保其穩(wěn)定性，通常包括低電壓穿越（LVRT）條件的標準。由于世界各地的電網(wǎng)包含50%至100%的可再生能源，它們需要在停電或斷電時繼續(xù)運行。這種故障會導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器以接近零的功率因數(shù)輸出低電壓。在這種情況下，有源中性點鉗制（ANPC）拓撲結(jié)構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。額外的晶體管使中性點電流在更多的器件之間分配，降低了芯片溫度和損耗。[1]

為了測試這一理論，開發(fā)了圖8所示的應(yīng)用樣本。該應(yīng)用樣本構(gòu)成了ANPC拓撲結(jié)構(gòu)（圖2右側(cè)）的單個橋臂，通過配備三個帶有最新M7 IGBT的SEMITRANS 20半橋模塊，能夠達到1.3MW。ANPC拓撲結(jié)構(gòu)為正負功率因數(shù)提供了一個優(yōu)化的解決方案，消除了在cos(phi)=-1時需要的降額。這使得采用賽米控丹佛斯的最新功率模塊SEMITRANS 20的開發(fā)速度更快，該模塊采用工業(yè)標準封裝設(shè)計，適用于高功率應(yīng)用。

圖8：風冷式SEMITRANS 20 ANPC應(yīng)用樣品的單相橋臂，能夠達到1.3MW

結(jié)論

太陽能市場中唯一不變的是變化。隨著太陽能逆變器市場的發(fā)展，賽米控丹佛斯的應(yīng)用樣品也將隨之更新。主要目的是為了更好地支持客戶的發(fā)展，同時也促進賽米控丹佛斯對客戶需求的內(nèi)部探索。賽米控丹佛斯每年都會開發(fā)新的應(yīng)用樣品，為客戶提供一個開發(fā)起點，減少他們的開發(fā)時間。賽米控丹佛斯不是簡單地制造和銷售硬件，而是給客戶提供設(shè)計文件，以實現(xiàn)設(shè)計的靈活性和快速市場響應(yīng)。全球的應(yīng)用工程師網(wǎng)絡(luò)也支持客戶根據(jù)他們的需求調(diào)整應(yīng)用樣品，使賽米控丹佛斯成為電力電子領(lǐng)域的終極合作伙伴。

審核編輯：湯梓紅