【導讀】隨著電力需求持續攀升，市場對可提供穩定可靠電力的儲能系統（ESS）的需求愈發迫切。在此背景下，構網型儲能系統架構的應用價值日益凸顯，同時也對電源轉換系統（PCS）提出了更高功率輸出要求。
在ESS PCS采用的各類中性點鉗位（NPC）拓撲中，與傳統NPC電路相比，有源中性點鉗位（ANPC）逆變器具有更高的效率和更低的熱應力。為最大限度地降低系統損耗，通常采用IGBT、Si二極管和SiC MOSFET的組合方案。
然而，SiC MOSFET的快速開關特性會帶來設計難題，尤其是多器件并聯配置中的串擾問題。若設計缺乏適當的考量，這可能導致系統失穩、器件誤導通，甚至可能導致器件故障。
本文將以大功率ESS PCS通用ANPC逆變器配置為研究對象，分析上述問題對系統環境的實際影響。該拓撲采用同時包含SiC MOSFET與IGBT的混合器件方案，兼顧開關性能、效率和成本，并采用適用于公用事業規模應用的功率模塊結構。下文將描述該拓撲內的具體器件分配。
在這種結構中：
1.內部開關采用SiC MOSFET
2.外側和中性點側采用低飽和導通電壓（VCE(sat)）的IGBT和低正向壓降（VF）的Si二極管
與傳統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
SiC MOSFET與IGBT/二極管器件的組合是一種經過深思熟慮的系統級優化：
1.SiC MOSFET（內側開關）：
1.承擔高頻開關任務
2.降低開關損耗
2.IGBT + 二極管（外側開關）：
1.主要承擔導通任務
2.具有成本和魯棒性優勢
這種混合方案有效平衡了效率、熱性能和系統成本之間的關鍵取舍。
3.為何在大功率ESS PCS中選擇ANPC
與傳統NPC拓撲相比，ANPC具有以下優勢：
4.通過優化開關分配提高效率
5.降低各器件的熱應力
6.在開關和導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的快速開關特性會帶來若干問題。本文介紹了此類配置中的串擾問題，并提出了在實際ANPC電路上驗證過的緩解方法。此外，本文還討論了使用RC?IGBT的替代器件配置。
7.ANPC有助于實現最優混合器件策略
ANPC拓撲為SiC MOSFET與硅基器件搭配提供了理想的基礎，在控制系統成本的前提下最大限度地提高效率。
在本文提出的架構中：
8.SiC MOSFET被分配用于高頻開關功能，充分發揮其低開關損耗的優勢。
9.IGBT和Si二極管主要承擔以導通為主的工況，在性能、魯棒性和成本之間實現良好平衡
上述器件技術選型分配方案使設計人員能夠在顯著降低SiC用量和整體系統成本的同時，實現全SiC解決方案的諸多優勢。同時，上述方案也引入了與高速開關行為和熱管理相關的新設計考量，必須妥善解決這些問題才能實現可靠運行。
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封裝實現的ANPC模塊進行了驗證。
圖1：安森美的ANPC逆變器功率模塊NXH270A120M3F5SHG，采用F5 + 底板（F5BP）封裝
設計考量
如圖2所示，安森美ANPC模塊的內側開關采用六個并聯的SiC MOSFET，而每個外側開關和中性點開關均采用單個IGBT和Si二極管實現。
在這個電路中：
10.SiC MOSFET以開關頻率工作
11.IGBT和Si二極管以電網頻率工作
因此：
12.SiC MOSFET同時產生開關損耗和導通損耗
13.IGBT和二極管主要產生導通損耗
圖2：ANPC電路配置
所考慮的關鍵設計改進
本文評估了兩種設計改進方案：
14.通過布局優化降低串擾（已驗證）
此項為確保穩定運行所必需的關鍵設計改進，已通過驗證。
15.基于RC?IGBT的替代器件優化（概念性）
一種可選的架構替代方案，未在所呈現的模塊中實現。
串擾分析與緩解
串擾機制：當SiC MOSFET以互補方式工作時，其快速開關行為會產生高dv/dt，從而導致非開關器件的柵極電壓發生波動，此現象即稱為串擾。
這種現象可能導致：
16.誤導通
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 所示的電路進行仿真
圖3：仿真電路
19.仿真方法
為評估實際工作條件下的串擾行為，使用SIMetrix結合制造商提供的SPICE器件模型進行了仿真。使用Ansys Q3D提取封裝寄生參數（包括電感和電阻），并將其納入仿真模型。
上方SiC MOSFET配置為被測器件（DUT），下方開關位置采用六個并聯SiC MOSFET，工作于體二極管導通模式下。在600 A電流條件下，對下部開關施加?5 V柵源電壓，評估串擾性能。
寄生電感的影響
如圖4所示，不對稱的源極雜散電感會導致電壓行為不均勻，進而加劇串擾。
圖4：不對稱源極雜散電感
圖5中的仿真結果顯示柵極電壓擺幅較大，部分波動已超出器件的額定限值。
圖5：不對稱源極雜散電感下的串擾
20.寄生電感引發的串擾嚴重程度
仿真結果表明，不對稱的源極電感會導致柵極電壓在約+5 V至?17 V之間波動。由于SiC MOSFET的柵極電壓額定值為+22 V至?10 V，這種波動可能接近或超過安全工作限值，從而增加誤導通事件、器件性能退化和長期可靠性問題的風險。
上述結果凸顯了在高速SiC設計中盡量減小寄生參數不平衡的重要性，尤其是在多個器件并聯運行時。
建議的解決方案：對稱電感布局
通過均衡寄生電感（圖 6），串擾得到顯著降低。
圖5：不對稱源極雜散電感下的串擾
圖6：對稱源極雜散電感
圖7：對稱源極雜散電感下的串擾
21.設計指南：并聯SiC MOSFET布局
仿真結果表明，當源極雜散電感在不同器件間存在差異時，由此產生的不平衡會導致柵極電壓出現顯著波動，可能超過器件額定安全范圍并損害系統可靠性。
相比之下，當寄生電感實現對稱后，柵極電壓行為顯著穩定，串擾降低至可接受的水平。上述結果凸顯了在采用SiC器件的高速開關應用中布局設計的重要性。
替代緩解方法：獨立柵極電阻
降低串擾的另一種方法是為每個并聯的SiC MOSFET使用獨立的柵極電阻。
為評估這種方法，專門進行了仿真（圖8），使用10 Ω柵極電阻，同時保持與圖 4 所示相同的不對稱源極電感分布。結果表明，與基線配置相比，串擾有所降低。
最大柵極電壓改善至約?0.5 V，最小柵極電壓達到約?8.6 V。雖然增加柵極電阻減小了柵極電壓波動幅度，但與對稱布局方法相比，波動仍然較大。
圖8顯示了在并聯SiC MOSFET中添加獨立柵極電阻（10 Ω）的情況，同時保持與圖4所示相同的雜散電感。
圖8：不對稱源極雜散電感下添加柵極電阻
圖9顯示了在相同工作條件下獲得的仿真結果。與圖5所示情況相比，串擾有所降低。
圖9：外加柵極電阻和不對稱源極雜散電感下的串擾
上述結果表明，雖然獨立柵極電阻可以改善串擾性能，但優化源極電感對稱性仍然是抑制并聯SiC MOSFET設計中串擾的最有效方法。
在實踐中，設計人員應確保并聯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，仔細考量布局對稱性對于防止誤導通事件和確保在高開關速度下穩定運行至關重要。
替代器件方案：RC-IGBT
當外側開關和中性點開關采用IGBT和Si二極管時，二極管相對較小的尺寸可能會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拓撲中以電網頻率運行，主要承受導通損耗而非開關損耗。隨著儲能系統功率等級的不斷提高，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來減小導通損耗，但此類改進最終會受到半導體器件特性的限制。另一種方法是通過增加芯片面積來降低熱阻。
傳統IGBT需要一個單獨的反并聯二極管來實現反向電流導通。相比之下，RC?IGBT將兩種功能集成到單個半導體結構中。這種集成方式可在相同的封裝尺寸內實現更大的有效芯片面積，同時保持相近的導通性能。
因此，RC?IGBT可實現更低的熱阻、更好的熱擴散能力，并在高電流工作下實現更低的結溫。其他優勢包括：
22.減少器件數量
23.改善熱性能
24.簡化模塊設計
25.有望降低系統成本
圖10：IGBT、Si二極管和RC-IGBT芯片面積比較
熱性能評估
為評估實際過載條件下的熱性能，采用以下工作條件進行了仿真：
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
為進行比較，RC?IGBT的建模采用了更大的有效硅面積，同時保持與傳統IGBT和Si二極管方案相近的導通損耗特性。
結果顯示：
29.傳統IGBT最高結溫：108°C
30.傳統Si二極管最高結溫：122°C
31.RC?IGBT結溫（IGBT 導通模式）：99°C
32.RC?IGBT結溫（反向導通模式）：94°C
上述結果表明，在導通損耗相當的情況下，RC?IGBT憑借更低的熱阻和更高的芯片面積利用率，實現了顯著更低的結溫。
盡管RC?IGBT技術尚未在當前的ANPC模塊中得到應用，但它代表了一種前景廣闊的未來優化路徑，可改善以工頻運行的ANPC開關位置的熱性能。
33.公用事業規模儲能系統的電氣與熱優化
對于運行功率等級不斷提高的公用事業規模ESS PCS設計，混合ANPC架構的成功實施需要同時進行電氣和熱優化。
本文呈現的研究結果表明，寄生電感控制對于SiC MOSFET的穩定運行至關重要，而RC?IGBT等先進的器件集成方案可以顯著改善以導通為主的開關位置的熱性能。
上述設計實踐共同實現了：
34.更高的逆變器效率
35.更高的系統可靠性
36.更高的功率密度
37.更低的熱應力
38.更強的下一代儲能系統平臺可擴展性
隨著儲能系統不斷朝著更高功率、更高電壓和更低系統成本的目標發展，上述設計考量對于實現實用且具備商業化落地價值的逆變器解決方案變得日益重要。
結論
混合 SiC ANPC 拓撲是大型儲能 PCS 一條兼顧性能與成本的可行路線，用好 SiC 高頻低損耗優勢的同時，設計重心要放在寄生參數管控上。仿真驗證顯示，源極雜散電感不對稱是并聯 SiC 串擾惡化的核心誘因，優先采用對稱布局均衡寄生電感，抑制效果優于單純增加獨立柵極電阻；而 RC?IGBT 集成方案，在導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溫，是后續模塊迭代很有潛力的方向。整體來看，大功率儲能 ANPC 逆變器設計需要電氣布局和熱設計同步優化，才能在提升效率、功率密度的同時控制熱應力，保障系統可靠，支撐儲能平臺向更高功率等級擴展。
