在过去的几个月里，赛米控推出了来自两家不同制造商的950V 和 1200V第 7 代 IGBT 。自上一代产品推出以来，这两款第 7 代 IGBT 都经历了根本性改进。得益于新的芯片设计
，当前所有类别的芯片尺寸平均缩小了 25%
。这样可以在现有模块外壳中实现更高的标称电流，从而实现更高的电流密度
，并使饱和电压 Vce,sat 降低约 20%
。

　　第 7 代 IGBT 的另一个重要新特性是能够在更高的结温下工作。最高结温保持在 Tj,max=175°C，允许连续工作高达 Tj,op=150°C
。然而，新功能是现在可以在 150°C 至 175°C 之间短期运行长达一分钟，占空比为 20%
。这样，例如
，可以覆盖一分钟长的逆变器过载110%，而不需要额外的设计储备。

图1

　　新一代芯片可实现具有前所未有的功率密度的紧凑型逆变器
。尤其是新型 950V IGBT，具有高开关频率的变体以及具有优化 Vce,sat 的变体，非常适合在高达 1500VDC 的三电平拓扑中使用
。

　　适用于 1500VDC 太阳能应用的三级拓扑

　　在 1500VDC 应用中，最常见的拓扑是中性点钳位 (NPC) 和有源中性点钳位 (ANPC)

。与 NPC 相比，ANPC 多了两个开关
，自由度更高
，但 T5 和 T6 需要两个额外的驱动器(图 1)
。

　　ANPC 存在不同的切换模式。两种流行的切换模式是(图 2)：

　　高频/低频(HF/LF)切换模式

　　低频/高频(LF/HF)切换模式

图2

　　两种开关模式的不同之处在于输入和输出级的操作方式。在低频/高频模式下
，输入级以低开关频率进行切换
。一般来说
，这等于电源频率
，即 50/60Hz
。相比之下，输出级以千赫兹范围内的高频进行切换
。HF/LF 模式的操作方式相反。不同的开关模式导致换向回路的差异。图 3 和图 4 显示并比较了换相环路和相脚设计的结果

。

　　换向回路 ANPC LF/HF(图 3)
：

　　输入级
：低频换相发生在输入级的一半内(环路面积小)。

　　输出级：输入级和输出级之间发生高频换向(换向面积大)。需要高栅极电阻来最小化过压。

　　后果：相脚电路应限制在一个电源模块内，以最大限度地减少长换向回路
，或者相脚应跨两个电源模块分开

，并将同一换向回路的所有开关保留在同一封装内
。

图3

　　换向回路 ANPC HF/LF(图 4)：

　　输入级：高频换向发生在输入级的一半内(环路面积小)。可以实现低栅极电阻
。

　　输出级：低频换向发生在输入级和输出级之间(换向面积大)。由于开关频率较低
，可以使用较大的栅极电阻来最小化过压
。

　　结果： 相脚可以设计在一个模块
、两个分体模块或三个半桥模块内。

图4

　　决定 NPC、ANPC HF/LF 或 ANPC LF/HF 拓扑中哪一个最适合给定应用，主要取决于可用的芯片技术
、功率因数范围和开关频率。例如
，950V 第 7 代 IGBT 与SIC 器件相结合

，是光伏 (PV) 和储能应用 (ESS) 中高开关频率的完美匹配

。

　　新型 950V 第 7 代 IGBT

　　赛米控在不同的芯片型号和外壳中使用了新一代第 7 代 IGBT。在 950V 等级中，有两种不同的芯片变体可供选择

： “L7”版本针对最小传导损耗(即最小 Vce,sat)进行了优化，并且应在电流前置时间较长且仅发生少量开关操作的情况下使用，例如在ANPC 拓扑的 LF 阶段。相比之下，“S7”型号针对最小开关损耗进行了优化
，非常适合高频元件。此外，950V IGBT 的性能优于 1200V IGBT。根据一般经验，标称电压较低的 IGBT 的开关损耗也较低。同时，950V 阻断电压足以支持针对 1500VDC 设计的应用。

　　采用 SiC mosfet 和 950V 第 7 代 IGBT 的分离式 ANPC 拓扑

　　第一个要讨论的模块外壳是采用分离式 ANPC 拓扑的 SEMITOP E2，针对 LF/HF 开关模式进行了优化(图 5)：一个相脚分为两个 SEMITOP E2 模块。形成一个换向回路的组件位于同一模块中，以最大限度地减少换向电感。

　　L7 950V IGBT(低VCE，sat)用于LF/HF ANPC的输入级，以电源频率进行切换。在这种情况下，输出级由极快开关SiC MOSFET和SiC 肖特基二极管组成。这些允许 40 kHz 或更高的开关频率。该组合的额定电流为 200A
，可实现高达 200kW 的输出功率
，并且在完全基于 PCB 的系统设计中具有 >99% 的出色效率
。不需要进一步并联电源模块。

　　第二个使用这种新芯片技术的赛米控模块是 MiniSKiiP 3 MLI(图 6)。该 3 级 NPC 模块完全基于硅元件，包含额定电流为 400A 的完整相脚。与 SEMITOP E2 一样
，该版本使用低 VCE 的 L7 950V IGBT

，用于慢速开关位置，而 S7 高速 IGBT 用于快速开关。

图5

　　NPC 和 ANPC 在应用中的比较

　　光伏应用大多在功率因数 PF 或 cos phi 为 0.8 至 1.0 的情况下运行。这意味着能量流是单向的，从太阳能电池板通过逆变器到电网。在 NPC 拓扑中
，外部开关 T1 和 T4 主要产生开关损耗，以较高的开关频率运行(S7 IGBT)。内部开关 T2 和 T3 主要产生传导损耗(L7 IGBT)
。

图6

　　具有双向能量流的应用(例如能量存储系统)需要针对整个功率因数范围进行优化的芯片组。电池充电时
，能量从电网流向逆变器

，PF=-1;电池放电时，能量从逆变器流向电网
，PF=1。与NPC相比，在ANPC拓扑中，换流路径不会随着功率因数的变化而改变
，并且可以服务于全功率因数范围
。赛米控还在 MiniSKiiP 3 封装中为此提供了 ANPC 解决方案
，Icnom=400A
。

　　图 7 比较了 NPC 和 ANPC HF/LF 模块的效率与功率因数，这两种模块均针对光伏应用进行了优化。当 PF=1 时，NPC 具有与 ANPC-HF/LF 相同的效率，因为该工作点上的换向环路和有源芯片相同。

　　一旦 PF 小于 1，NPC 的效率就会因内部开关 T2/T3 的开关损耗而下降。就性能而言，ANPC-HF/LF 在整个功率因数范围内表现出最高的效率。但这是以两个额外的开关和驱动器为代价的
。有鉴于此，并考虑到光伏应用中的 0.8…1 功率因数范围以及更容易的控制，NPC 可以成为 ANPC-HF/LF 的良好替代品
。

　　两种变体在全硅中均可实现高达 200kW 的输出功率，在混合 SiC 中可实现高达 250kW 的输出功率，并在 NPC 拓扑中的 D5/D6 位置使用 SiC 肖特基二极管。为了获得更高的功率输出
，这些模块还可以并联连接
，从而允许交错操作
，从而产生 >30 kHz 的输出频率，而无需使用昂贵的 SiC 组件。

图7

　　适用于高功率应用的三电平拓扑

　　三电平拓扑还在高功率转换器(即500kW到多兆瓦风能和太阳能应用)中提供了明显的优势

。一方面，由于采用了最新的第7代IGBT技术以及更低的IGBT阻断电压
，效率显着提高。在风力涡轮机中，这将使半导体损耗减少约 38%。另一方面
，低电压指令中规定的电压范围允许高达 1000VAC 和 1500VDC 的系统设计
，可以得到充分利用。由于总电流较低，电缆损耗或布线成本降低了 40%，因此可以显着降低系统成本
。

　　对于这些高功率应用，由于开关期间需要电压储备，因此必须使用 1200V 组件。

　　2017 年推出的 SEMITRANS 10 MLI 1200A 是赛米控在光伏逆变器应用领域的一个重要里程碑。第 7 代 IGBT 实现的芯片尺寸缩小导致 SEMITRANS 10 MLI 1400A 添加到产品组合中

。该模块不仅提高了效率和额定电流。事实上，得益于优化的钳位二极管，现在还可以在 -1 至 +1 的整个功率因数范围内使用该模块
。这对于风力发电应用至关重要，因为风力发电应用中发电机侧逆变器始终以负功率因数运行。

　　比较高功率应用的不同 NPC 设计

　　除了 SEMITRANS 10 MLI 之外，还可以使用标准半桥模块创建 3 级 NPC 拓扑。下面以 1 MW 设计为例，详细概述这些设计的优缺点(见图 8)
。

　　SEMITRANS 10 MLI，每相支路 2 个模块

　　该变体是唯一允许 NPC 拓扑仅与两个模块一起使用的变体，从而实现最大功率密度。此外
，该设计仅需要两个驱动板和仅三层的简化直流总线连接。另一个优点在于工作功率因数低于 1。由于换向环路仅分布在两个杂散电感约为 60nH 的模块上

，因此该设计是快速开关并降低损耗的关键

。

　　由于直流层压板和交流连接重叠，因此可以实现低换向电感

。该解决方案的另一个优点是电流分布到两个相脚模块的交流端子，这显着降低了端子连接上的热应力。

　　SEMiX 3 Press-Fit 半桥，每相腿 6 个模块
：为了覆盖与 SEMITRANS 10 MLI 相同的功率范围，至少需要 6 个 SEMiX 3 Press-Fit 模块 (1200V / 600A)，从而需要还有更多栅极驱动元件
。每相模块的物理布置可防止直流电和交流电势重叠，从而限制 NPC 电路可实现的换向电感。这对发电机的运行有特别的影响，当在负功率因数运行时跨三个模块换向时，会导致超过 200nH 的极高电感值。在风力发电或 ESS 等应用中

，这使得该模块组合的使用变得有些关键，并且意味着需要高输出功率降额。

图8

　　SEMiX 3 压接半桥，每相支路 6 个模块

　　为了覆盖与 SEMITRANS 10 MLI 相同的功率范围，至少需要六个 SEMiX 3 Press-Fit 模块 (1200V / 600A)，从而还需要更多栅极驱动元件。每相模块的物理布置可防止直流电和交流电势重叠
，从而限制 NPC 电路可实现的换向电感。这对发电机的运行有特别的影响，当在负功率因数运行时跨三个模块换向时
，会导致超过 200nH 的极高电感值
。在风力发电或 ESS 等应用中
，这使得该模块组合的使用变得有些关键，并且意味着需要高输出功率降额
。此外
，模块的并联可能需要预先选择的模块或交流电抗器，以减少模块之间的电流不平衡。

　　SEMITRANS 10 半桥
，每相支路 3 个模块

　　与 SEMiX 3 Press-Fit 一样
，也可以使用标准 SEMITRANS 10 半桥模块设计 3 级 NPC 电路。这里，换向也发生在 3 个模块上，但直流和交流端子的线性排列允许重叠母线设计
。这样做会导致最长换向路径的漏感约为 100nH

　　除了上面所示的 NPC 拓扑之外，还可以基于标准半桥模块实现 ANPC HF/LF 拓扑
。如上所述，与 MiniSKiiP 模块相关，其优点是换向路径相同
，与功率因数无关。在 HF/LF 版本中
，快速换向发生在单个模块内，这导致 SEMITRANS 10 封装中的换向电感仅为 24nH
。然而，该解决方案的一个缺点是，与 SEMITRANS 10 MLI 相比，3 个模块需要更大的空间
，并且控制、栅极驱动器和直流母线连接的复杂性更高

　　全新第七代 IGBT 芯片进一步提高了三电平应用的功率密度
。这适用于使用新一代 7 950V IGBT 的基于 PCB 的系统以及采用 1200V 组件的高功率应用。不同的三电平拓扑各有优缺点，必须根据给定的应用和所需的工作点来选择拓扑和相应的芯片组
。SEMITRANS 10 MLI 尤其在多兆瓦风能和太阳能应用中实现了最佳性能、功率密度和系统成本。