公用事业规模储能系统的电源转换优化

“ 本文将以大功率ESS PCS通用ANPC逆变器配置为研究对象，分析上述问题对系统环境的实际影响。该拓扑采用同时包含SiC MOSFET与IGBT的混合器件方案，兼顾开关性能、效率和成本，并采用适用于公用事业规模应用的功率模块结构。下文将描述该拓扑内的具体器件分配。
”

基于混合SiC技术的ANPC逆变器设计考量

随着电力需求持续攀升，市场对可提供稳定可靠电力的储能系统（ESS）的需求愈发迫切。在此背景下，构网型储能系统架构的应用价值日益凸显，同时也对电源转换系统（PCS）提出了更高功率输出要求。

在ESS PCS采用的各类中性点钳位（NPC）拓扑中，与传统NPC电路相比，有源中性点钳位（ANPC）逆变器具有更高的效率和更低的热应力。为最大限度地降低系统损耗，通常采用IGBT、Si二极管和SiC MOSFET的组合方案。

然而，SiC MOSFET的快速开关特性会带来设计难题，尤其是多器件并联配置中的串扰问题。若设计缺乏适当的考量，这可能导致系统失稳、器件误导通，甚至可能导致器件故障。

本文将以大功率ESS PCS通用ANPC逆变器配置为研究对象，分析上述问题对系统环境的实际影响。该拓扑采用同时包含SiC MOSFET与IGBT的混合器件方案，兼顾开关性能、效率和成本，并采用适用于公用事业规模应用的功率模块结构。下文将描述该拓扑内的具体器件分配。

在这种结构中：

1. 内部开关采用SiC MOSFET
2. 外侧和中性点侧采用低饱和导通电压（VCE(sat)）的IGBT和低正向压降（VF）的Si二极管

与传统NPC方案相比，这种混合配置能够提高效率。

1. 混合器件选型依据

SiC MOSFET与IGBT/二极管器件的组合是一种经过深思熟虑的系统级优化：

1. SiC MOSFET（内侧开关）：
   1. 承担高频开关任务
   2. 降低开关损耗
2. IGBT + 二极管（外侧开关）：
   1. 主要承担导通任务
   2. 具有成本和鲁棒性优势

这种混合方案有效平衡了效率、热性能和系统成本之间的关键取舍。

3. 为何在大功率ESS PCS中选择ANPC

与传统NPC拓扑相比，ANPC具有以下优势：

4. 通过优化开关分配提高效率
5. 降低各器件的热应力
6. 在开关和导通角色分配方面具有更大的灵活性

上述特性使ANPC特别适合用于大功率ESS逆变器中的SiC + IGBT混合方案。

然而，SiC MOSFET的快速开关特性会带来若干问题。本文介绍了此类配置中的串扰问题，并提出了在实际ANPC电路上验证过的缓解方法。此外，本文还讨论了使用RC−IGBT的替代器件配置。

7. ANPC有助于实现最优混合器件策略

ANPC拓扑为SiC MOSFET与硅基器件搭配提供了理想的基础，在控制系统成本的前提下最大限度地提高效率。

在本文提出的架构中：

8. SiC MOSFET被分配用于高频开关功能，充分发挥其低开关损耗的优势。
9. IGBT和Si二极管主要承担以导通为主的工况，在性能、鲁棒性和成本之间实现良好平衡

上述器件技术选型分配方案使设计人员能够在显著降低SiC用量和整体系统成本的同时，实现全SiC解决方案的诸多优势。同时，上述方案也引入了与高速开关行为和热管理相关的新设计考量，必须妥善解决这些问题才能实现可靠运行。

ANPC逆变器功率模块

如图1所示，所提出的方案通过采用安森美（onsemi）的F5BP封装实现的ANPC模块进行了验证。

图1：安森美的ANPC逆变器功率模块NXH270A120M3F5SHG，采用F5 + 底板（F5BP）封装

设计考量

如图2所示，安森美ANPC模块的内侧开关采用六个并联的SiC MOSFET，而每个外侧开关和中性点开关均采用单个IGBT和Si二极管实现。

在这个电路中：

10. SiC MOSFET以开关频率工作
11. IGBT和Si二极管以电网频率工作

因此：

12. SiC MOSFET同时产生开关损耗和导通损耗
13. IGBT和二极管主要产生导通损耗

图2：ANPC电路配置

所考虑的关键设计改进

本文评估了两种设计改进方案：

14. 通过布局优化降低串扰（已验证）

此项为确保稳定运行所必需的关键设计改进，已通过验证。

15. 基于RC−IGBT的替代器件优化（概念性）

一种可选的架构替代方案，未在所呈现的模块中实现。

串扰分析与缓解

串扰机制：当SiC MOSFET以互补方式工作时，其快速开关行为会产生高dv/dt，从而导致非开关器件的栅极电压发生波动，此现象即称为串扰。

这种现象可能导致：

16. 误导通
17. 栅极电压过冲超出允许限值
18. 潜在的器件故障

使用图 3 所示的电路进行仿真

图3：仿真电路

19. 仿真方法

为评估实际工作条件下的串扰行为，使用SIMetrix结合制造商提供的SPICE器件模型进行了仿真。使用Ansys Q3D提取封装寄生参数（包括电感和电阻），并将其纳入仿真模型。

上方SiC MOSFET配置为被测器件（DUT），下方开关位置采用六个并联SiC MOSFET，工作于体二极管导通模式下。在600 A电流条件下，对下部开关施加−5 V栅源电压，评估串扰性能。

寄生电感的影响

如图4所示，不对称的源极杂散电感会导致电压行为不均匀，进而加剧串扰。

图4：不对称源极杂散电感

图5中的仿真结果显示栅极电压摆幅较大，部分波动已超出器件的额定限值。

图5：不对称源极杂散电感下的串扰

20. 寄生电感引发的串扰严重程度

仿真结果表明，不对称的源极电感会导致栅极电压在约+5 V至−17 V之间波动。由于SiC MOSFET的栅极电压额定值为+22 V至−10 V，这种波动可能接近或超过安全工作限值，从而增加误导通事件、器件性能退化和长期可靠性问题的风险。

上述结果凸显了在高速SiC设计中尽量减小寄生参数不平衡的重要性，尤其是在多个器件并联运行时。

建议的解决方案：对称电感布局

通过均衡寄生电感（图 6），串扰得到显著降低。

图5：不对称源极杂散电感下的串扰

图6：对称源极杂散电感

图7：对称源极杂散电感下的串扰

21. 设计指南：并联SiC MOSFET布局

仿真结果表明，当源极杂散电感在不同器件间存在差异时，由此产生的不平衡会导致栅极电压出现显著波动，可能超过器件额定安全范围并损害系统可靠性。

相比之下，当寄生电感实现对称后，栅极电压行为显著稳定，串扰降低至可接受的水平。上述结果凸显了在采用SiC器件的高速开关应用中布局设计的重要性。

替代缓解方法：独立栅极电阻

降低串扰的另一种方法是为每个并联的SiC MOSFET使用独立的栅极电阻。

为评估这种方法，专门进行了仿真（图8），使用10 Ω栅极电阻，同时保持与图 4 所示相同的不对称源极电感分布。结果表明，与基线配置相比，串扰有所降低。

最大栅极电压改善至约−0.5 V，最小栅极电压达到约−8.6 V。虽然增加栅极电阻减小了栅极电压波动幅度，但与对称布局方法相比，波动仍然较大。

图8显示了在并联SiC MOSFET中添加独立栅极电阻（10 Ω）的情况，同时保持与图4所示相同的杂散电感。

图8：不对称源极杂散电感下添加栅极电阻

图9显示了在相同工作条件下获得的仿真结果。与图5所示情况相比，串扰有所降低。

图9：外加栅极电阻和不对称源极杂散电感下的串扰

上述结果表明，虽然独立栅极电阻可以改善串扰性能，但优化源极电感对称性仍然是抑制并联SiC MOSFET设计中串扰的最有效方法。

在实践中，设计人员应确保并联器件之间的电流路径和寄生元件尽可能保持一致，以最大限度地减小不平衡。因此，仔细考量布局对称性对于防止误导通事件和确保在高开关速度下稳定运行至关重要。

替代器件方案：RC-IGBT

当外侧开关和中性点开关采用IGBT和Si二极管时，二极管相对较小的尺寸可能会限制其在高电流工作条件下的散热能力。

由于此类器件在ANPC拓扑中以电网频率运行，主要承受导通损耗而非开关损耗。随着储能系统功率等级的不断提高，此类器件的热管理变得日益重要。

RC−IGBT为何能提升热性能

虽然可通过降低VCE(sat)或VF来减小导通损耗，但此类改进最终会受到半导体器件特性的限制。另一种方法是通过增加芯片面积来降低热阻。

传统IGBT需要一个单独的反并联二极管来实现反向电流导通。相比之下，RC−IGBT将两种功能集成到单个半导体结构中。这种集成方式可在相同的封装尺寸内实现更大的有效芯片面积，同时保持相近的导通性能。

因此，RC−IGBT可实现更低的热阻、更好的热扩散能力，并在高电流工作下实现更低的结温。其他优势包括：

22. 减少器件数量
23. 改善热性能
24. 简化模块设计
25. 有望降低系统成本

图10：IGBT、Si二极管和RC-IGBT芯片面积比较

热性能评估

为评估实际过载条件下的热性能，采用以下工作条件进行了仿真：

26. 直流母线电压：1500 Vdc
27. 交流输出电压：690 Vac
28. 输出功率：360 kW

为进行比较，RC−IGBT的建模采用了更大的有效硅面积，同时保持与传统IGBT和Si二极管方案相近的导通损耗特性。

结果显示：

29. 传统IGBT最高结温：108°C
30. 传统Si二极管最高结温：122°C
31. RC−IGBT结温（IGBT 导通模式）：99°C
32. RC−IGBT结温（反向导通模式）：94°C

上述结果表明，在导通损耗相当的情况下，RC−IGBT凭借更低的热阻和更高的芯片面积利用率，实现了显著更低的结温。

尽管RC−IGBT技术尚未在当前的ANPC模块中得到应用，但它代表了一种前景广阔的未来优化路径，可改善以工频运行的ANPC开关位置的热性能。

33. 公用事业规模储能系统的电气与热优化

对于运行功率等级不断提高的公用事业规模ESS PCS设计，混合ANPC架构的成功实施需要同时进行电气和热优化。

本文呈现的研究结果表明，寄生电感控制对于SiC MOSFET的稳定运行至关重要，而RC−IGBT等先进的器件集成方案可以显著改善以导通为主的开关位置的热性能。

上述设计实践共同实现了：

34. 更高的逆变器效率
35. 更高的系统可靠性
36. 更高的功率密度
37. 更低的热应力
38. 更强的下一代储能系统平台可扩展性

随着储能系统不断朝着更高功率、更高电压和更低系统成本的目标发展，上述设计考量对于实现实用且具备商业化落地价值的逆变器解决方案变得日益重要。