【導(dǎo)讀】隨著電力需求持續(xù)攀升，市場(chǎng)對(duì)可提供穩(wěn)定可靠電力的儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的需求愈發(fā)迫切。在此背景下，構(gòu)網(wǎng)型儲(chǔ)能系統(tǒng)架構(gòu)的應(yīng)用價(jià)值日益凸顯，同時(shí)也對(duì)電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（PCS）提出了更高功率輸出要求。
在ESS PCS采用的各類中性點(diǎn)鉗位（NPC）拓?fù)渲校c傳統(tǒng)NPC電路相比，有源中性點(diǎn)鉗位（ANPC）逆變器具有更高的效率和更低的熱應(yīng)力。為最大限度地降低系統(tǒng)損耗，通常采用IGBT、Si二極管和SiC MOSFET的組合方案。
然而，SiC MOSFET的快速開關(guān)特性會(huì)帶來設(shè)計(jì)難題，尤其是多器件并聯(lián)配置中的串?dāng)_問題。若設(shè)計(jì)缺乏適當(dāng)?shù)目剂浚@可能導(dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)、器件誤導(dǎo)通，甚至可能導(dǎo)致器件故障。
本文將以大功率ESS PCS通用ANPC逆變器配置為研究對(duì)象，分析上述問題對(duì)系統(tǒng)環(huán)境的實(shí)際影響。該拓?fù)洳捎猛瑫r(shí)包含SiC MOSFET與IGBT的混合器件方案，兼顧開關(guān)性能、效率和成本，并采用適用于公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用的功率模塊結(jié)構(gòu)。下文將描述該拓?fù)鋬?nèi)的具體器件分配。
在這種結(jié)構(gòu)中：
1.內(nèi)部開關(guān)采用SiC MOSFET
2.外側(cè)和中性點(diǎn)側(cè)采用低飽和導(dǎo)通電壓（VCE(sat)）的IGBT和低正向壓降（VF）的Si二極管
與傳統(tǒng)NPC方案相比，這種混合配置能夠提高效率。
1.混合器件選型依據(jù)
SiC MOSFET與IGBT/二極管器件的組合是一種經(jīng)過深思熟慮的系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化：
1.SiC MOSFET（內(nèi)側(cè)開關(guān)）：
1.承擔(dān)高頻開關(guān)任務(wù)
2.降低開關(guān)損耗
2.IGBT + 二極管（外側(cè)開關(guān)）：
1.主要承擔(dān)導(dǎo)通任務(wù)
2.具有成本和魯棒性優(yōu)勢(shì)
這種混合方案有效平衡了效率、熱性能和系統(tǒng)成本之間的關(guān)鍵取舍。
3.為何在大功率ESS PCS中選擇ANPC
與傳統(tǒng)NPC拓?fù)湎啾龋珹NPC具有以下優(yōu)勢(shì)：
4.通過優(yōu)化開關(guān)分配提高效率
5.降低各器件的熱應(yīng)力
6.在開關(guān)和導(dǎo)通角色分配方面具有更大的靈活性
上述特性使ANPC特別適合用于大功率ESS逆變器中的SiC + IGBT混合方案。
然而，SiC MOSFET的快速開關(guān)特性會(huì)帶來若干問題。本文介紹了此類配置中的串?dāng)_問題，并提出了在實(shí)際ANPC電路上驗(yàn)證過的緩解方法。此外，本文還討論了使用RC?IGBT的替代器件配置。
7.ANPC有助于實(shí)現(xiàn)最優(yōu)混合器件策略
ANPC拓?fù)錇镾iC MOSFET與硅基器件搭配提供了理想的基礎(chǔ)，在控制系統(tǒng)成本的前提下最大限度地提高效率。
在本文提出的架構(gòu)中：
8.SiC MOSFET被分配用于高頻開關(guān)功能，充分發(fā)揮其低開關(guān)損耗的優(yōu)勢(shì)。
9.IGBT和Si二極管主要承擔(dān)以導(dǎo)通為主的工況，在性能、魯棒性和成本之間實(shí)現(xiàn)良好平衡
上述器件技術(shù)選型分配方案使設(shè)計(jì)人員能夠在顯著降低SiC用量和整體系統(tǒng)成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)全SiC解決方案的諸多優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，上述方案也引入了與高速開關(guān)行為和熱管理相關(guān)的新設(shè)計(jì)考量，必須妥善解決這些問題才能實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。
ANPC逆變器功率模塊
如圖1所示，所提出的方案通過采用安森美（onsemi）的F5BP封裝實(shí)現(xiàn)的ANPC模塊進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖1：安森美的ANPC逆變器功率模塊NXH270A120M3F5SHG，采用F5 + 底板（F5BP）封裝
設(shè)計(jì)考量
如圖2所示，安森美ANPC模塊的內(nèi)側(cè)開關(guān)采用六個(gè)并聯(lián)的SiC MOSFET，而每個(gè)外側(cè)開關(guān)和中性點(diǎn)開關(guān)均采用單個(gè)IGBT和Si二極管實(shí)現(xiàn)。
在這個(gè)電路中：
10.SiC MOSFET以開關(guān)頻率工作
11.IGBT和Si二極管以電網(wǎng)頻率工作
因此：
12.SiC MOSFET同時(shí)產(chǎn)生開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗
13.IGBT和二極管主要產(chǎn)生導(dǎo)通損耗
圖2：ANPC電路配置
所考慮的關(guān)鍵設(shè)計(jì)改進(jìn)
本文評(píng)估了兩種設(shè)計(jì)改進(jìn)方案：
14.通過布局優(yōu)化降低串?dāng)_（已驗(yàn)證）
此項(xiàng)為確保穩(wěn)定運(yùn)行所必需的關(guān)鍵設(shè)計(jì)改進(jìn)，已通過驗(yàn)證。
15.基于RC?IGBT的替代器件優(yōu)化（概念性）
一種可選的架構(gòu)替代方案，未在所呈現(xiàn)的模塊中實(shí)現(xiàn)。
串?dāng)_分析與緩解
串?dāng)_機(jī)制：當(dāng)SiC MOSFET以互補(bǔ)方式工作時(shí)，其快速開關(guān)行為會(huì)產(chǎn)生高dv/dt，從而導(dǎo)致非開關(guān)器件的柵極電壓發(fā)生波動(dòng)，此現(xiàn)象即稱為串?dāng)_。
這種現(xiàn)象可能導(dǎo)致：
16.誤導(dǎo)通
17.柵極電壓過沖超出允許限值
18.潛在的器件故障
使用圖 3 所示的電路進(jìn)行仿真
圖3：仿真電路
19.仿真方法
為評(píng)估實(shí)際工作條件下的串?dāng)_行為，使用SIMetrix結(jié)合制造商提供的SPICE器件模型進(jìn)行了仿真。使用Ansys Q3D提取封裝寄生參數(shù)（包括電感和電阻），并將其納入仿真模型。
上方SiC MOSFET配置為被測(cè)器件（DUT），下方開關(guān)位置采用六個(gè)并聯(lián)SiC MOSFET，工作于體二極管導(dǎo)通模式下。在600 A電流條件下，對(duì)下部開關(guān)施加?5 V柵源電壓，評(píng)估串?dāng)_性能。
寄生電感的影響
如圖4所示，不對(duì)稱的源極雜散電感會(huì)導(dǎo)致電壓行為不均勻，進(jìn)而加劇串?dāng)_。
圖4：不對(duì)稱源極雜散電感
圖5中的仿真結(jié)果顯示柵極電壓擺幅較大，部分波動(dòng)已超出器件的額定限值。
圖5：不對(duì)稱源極雜散電感下的串?dāng)_
20.寄生電感引發(fā)的串?dāng)_嚴(yán)重程度
仿真結(jié)果表明，不對(duì)稱的源極電感會(huì)導(dǎo)致柵極電壓在約+5 V至?17 V之間波動(dòng)。由于SiC MOSFET的柵極電壓額定值為+22 V至?10 V，這種波動(dòng)可能接近或超過安全工作限值，從而增加誤導(dǎo)通事件、器件性能退化和長(zhǎng)期可靠性問題的風(fēng)險(xiǎn)。
上述結(jié)果凸顯了在高速SiC設(shè)計(jì)中盡量減小寄生參數(shù)不平衡的重要性，尤其是在多個(gè)器件并聯(lián)運(yùn)行時(shí)。
建議的解決方案：對(duì)稱電感布局
通過均衡寄生電感（圖 6），串?dāng)_得到顯著降低。
圖5：不對(duì)稱源極雜散電感下的串?dāng)_
圖6：對(duì)稱源極雜散電感
圖7：對(duì)稱源極雜散電感下的串?dāng)_
21.設(shè)計(jì)指南：并聯(lián)SiC MOSFET布局
仿真結(jié)果表明，當(dāng)源極雜散電感在不同器件間存在差異時(shí)，由此產(chǎn)生的不平衡會(huì)導(dǎo)致柵極電壓出現(xiàn)顯著波動(dòng)，可能超過器件額定安全范圍并損害系統(tǒng)可靠性。
相比之下，當(dāng)寄生電感實(shí)現(xiàn)對(duì)稱后，柵極電壓行為顯著穩(wěn)定，串?dāng)_降低至可接受的水平。上述結(jié)果凸顯了在采用SiC器件的高速開關(guān)應(yīng)用中布局設(shè)計(jì)的重要性。
替代緩解方法：獨(dú)立柵極電阻
降低串?dāng)_的另一種方法是為每個(gè)并聯(lián)的SiC MOSFET使用獨(dú)立的柵極電阻。
為評(píng)估這種方法，專門進(jìn)行了仿真（圖8），使用10 Ω柵極電阻，同時(shí)保持與圖 4 所示相同的不對(duì)稱源極電感分布。結(jié)果表明，與基線配置相比，串?dāng)_有所降低。
最大柵極電壓改善至約?0.5 V，最小柵極電壓達(dá)到約?8.6 V。雖然增加?xùn)艠O電阻減小了柵極電壓波動(dòng)幅度，但與對(duì)稱布局方法相比，波動(dòng)仍然較大。
圖8顯示了在并聯(lián)SiC MOSFET中添加獨(dú)立柵極電阻（10 Ω）的情況，同時(shí)保持與圖4所示相同的雜散電感。
圖8：不對(duì)稱源極雜散電感下添加?xùn)艠O電阻
圖9顯示了在相同工作條件下獲得的仿真結(jié)果。與圖5所示情況相比，串?dāng)_有所降低。
圖9：外加?xùn)艠O電阻和不對(duì)稱源極雜散電感下的串?dāng)_
上述結(jié)果表明，雖然獨(dú)立柵極電阻可以改善串?dāng)_性能，但優(yōu)化源極電感對(duì)稱性仍然是抑制并聯(lián)SiC MOSFET設(shè)計(jì)中串?dāng)_的最有效方法。
在實(shí)踐中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保并聯(lián)器件之間的電流路徑和寄生元件盡可能保持一致，以最大限度地減小不平衡。因此，仔細(xì)考量布局對(duì)稱性對(duì)于防止誤導(dǎo)通事件和確保在高開關(guān)速度下穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。
替代器件方案：RC-IGBT
當(dāng)外側(cè)開關(guān)和中性點(diǎn)開關(guān)采用IGBT和Si二極管時(shí)，二極管相對(duì)較小的尺寸可能會(huì)限制其在高電流工作條件下的散熱能力。
由于此類器件在ANPC拓?fù)渲幸噪娋W(wǎng)頻率運(yùn)行，主要承受導(dǎo)通損耗而非開關(guān)損耗。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)功率等級(jí)的不斷提高，此類器件的熱管理變得日益重要。
RC?IGBT為何能提升熱性能
雖然可通過降低VCE(sat)或VF來減小導(dǎo)通損耗，但此類改進(jìn)最終會(huì)受到半導(dǎo)體器件特性的限制。另一種方法是通過增加芯片面積來降低熱阻。
傳統(tǒng)IGBT需要一個(gè)單獨(dú)的反并聯(lián)二極管來實(shí)現(xiàn)反向電流導(dǎo)通。相比之下，RC?IGBT將兩種功能集成到單個(gè)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中。這種集成方式可在相同的封裝尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更大的有效芯片面積，同時(shí)保持相近的導(dǎo)通性能。
因此，RC?IGBT可實(shí)現(xiàn)更低的熱阻、更好的熱擴(kuò)散能力，并在高電流工作下實(shí)現(xiàn)更低的結(jié)溫。其他優(yōu)勢(shì)包括：
22.減少器件數(shù)量
23.改善熱性能
24.簡(jiǎn)化模塊設(shè)計(jì)
25.有望降低系統(tǒng)成本
圖10：IGBT、Si二極管和RC-IGBT芯片面積比較
熱性能評(píng)估
為評(píng)估實(shí)際過載條件下的熱性能，采用以下工作條件進(jìn)行了仿真：
26.直流母線電壓：1500 Vdc
27.交流輸出電壓：690 Vac
28.輸出功率：360 kW
為進(jìn)行比較，RC?IGBT的建模采用了更大的有效硅面積，同時(shí)保持與傳統(tǒng)IGBT和Si二極管方案相近的導(dǎo)通損耗特性。
結(jié)果顯示：
29.傳統(tǒng)IGBT最高結(jié)溫：108°C
30.傳統(tǒng)Si二極管最高結(jié)溫：122°C
31.RC?IGBT結(jié)溫（IGBT 導(dǎo)通模式）：99°C
32.RC?IGBT結(jié)溫（反向?qū)Ｊ剑?4°C
上述結(jié)果表明，在導(dǎo)通損耗相當(dāng)?shù)那闆r下，RC?IGBT憑借更低的熱阻和更高的芯片面積利用率，實(shí)現(xiàn)了顯著更低的結(jié)溫。
盡管RC?IGBT技術(shù)尚未在當(dāng)前的ANPC模塊中得到應(yīng)用，但它代表了一種前景廣闊的未來優(yōu)化路徑，可改善以工頻運(yùn)行的ANPC開關(guān)位置的熱性能。
33.公用事業(yè)規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的電氣與熱優(yōu)化
對(duì)于運(yùn)行功率等級(jí)不斷提高的公用事業(yè)規(guī)模ESS PCS設(shè)計(jì)，混合ANPC架構(gòu)的成功實(shí)施需要同時(shí)進(jìn)行電氣和熱優(yōu)化。
本文呈現(xiàn)的研究結(jié)果表明，寄生電感控制對(duì)于SiC MOSFET的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，而RC?IGBT等先進(jìn)的器件集成方案可以顯著改善以導(dǎo)通為主的開關(guān)位置的熱性能。
上述設(shè)計(jì)實(shí)踐共同實(shí)現(xiàn)了：
34.更高的逆變器效率
35.更高的系統(tǒng)可靠性
36.更高的功率密度
37.更低的熱應(yīng)力
38.更強(qiáng)的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)平臺(tái)可擴(kuò)展性
隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)不斷朝著更高功率、更高電壓和更低系統(tǒng)成本的目標(biāo)發(fā)展，上述設(shè)計(jì)考量對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)用且具備商業(yè)化落地價(jià)值的逆變器解決方案變得日益重要。
結(jié)論
混合 SiC ANPC 拓?fù)涫谴笮蛢?chǔ)能 PCS 一條兼顧性能與成本的可行路線，用好 SiC 高頻低損耗優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，設(shè)計(jì)重心要放在寄生參數(shù)管控上。仿真驗(yàn)證顯示，源極雜散電感不對(duì)稱是并聯(lián) SiC 串?dāng)_惡化的核心誘因，優(yōu)先采用對(duì)稱布局均衡寄生電感，抑制效果優(yōu)于單純?cè)黾营?dú)立柵極電阻；而 RC?IGBT 集成方案，在導(dǎo)通損耗接近的前提下，能夠提升芯片利用率、降低工頻工作器件的結(jié)溫，是后續(xù)模塊迭代很有潛力的方向。整體來看，大功率儲(chǔ)能 ANPC 逆變器設(shè)計(jì)需要電氣布局和熱設(shè)計(jì)同步優(yōu)化，才能在提升效率、功率密度的同時(shí)控制熱應(yīng)力，保障系統(tǒng)可靠，支撐儲(chǔ)能平臺(tái)向更高功率等級(jí)擴(kuò)展。
