PCIM展台巡礼 | 2.3kV IGBT7模块助力1500V光伏逆变器

英飞凌工业半导体 2020-07-05
7月6日,英飞凌PCIM欧洲虚拟展台如期而至。

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大功率光伏电站是未来清洁能源的重要组成部分,其功率等级也随着用电需求的增加越来越大。本文利用最新的IGBT7大功率PrimePACK™模块,开发了适用于目前1500VDC光伏系统的解决方案,具有业界最高的功率密度。


01

三电平在光伏系统中的应用


光伏逆变器注重效率的要求,因此三电平电路在这个应用中光伏采用。而1500VDC光伏系统需要功率半导体器件满足低宇宙射线失效率,因此用1200V耐压等级的模块去拼接NPC1型三电平已经成为目前大功率光伏逆变器最常见的解决方案[1][2]


这种NPC1的方案也存在一些问题。如在系统需要无功功率运行状态下(PF<1),负载电流需要通过长回路进行换流(如图1),这时的环路电感甚至可以>100nH,从而引发关断电压尖峰等问题。如果为解决这个问题而使用较大的门极电阻,又会造成开关损耗增加,效率降低的问题。


图1. NPC1三电平拓扑的长换流路径


在1000VDC光伏系统的时代,NPC2拓扑曾被广泛采用。这种拓扑比NPC1省去了两个钳位二极管,控制也相对简单且同样有较高的效率。但是由于该拓扑中的两个竖管需要承受整个母线电压,所以需要解决高压下宇宙射线失效率的问题,这也是NPC2三电平结构没有从1000VDC系统直接过渡到1500VDC系统的最主要原因。


02

光伏逆变器的大功率IGBT7模块灵活解决


本文提出的解决方案基于两种PrimePACK™ IGBT模块,半桥模块采用2300V电压等级的TRENCHSTOP™ IGBT7模块,横管采用共集电极的1200V电压等级模块,同样采用基于微沟槽栅(MPT)的TRENCHSTOP™  IGBT7技术。如图2所示。


图2. 基于IGBT7模块的解决方案


采用这两种模块的方案考虑到了1500VDC下的宇宙射线失效问题,并且可以做到目前业界最高的功率密度。半桥模块从上一代模块(FF1800R17IP5)1700V的电压等级增加到2300V,但是额定电流保持1800A不变;横管模块跟同样电压等级的上一代模块(FF1800R12IE5)相比,电流提升了33%,从1800A增加到2400A。


这两种最新的功率模块可以在光伏系统中采用不同的组合形式来实现不同功率等级的输出:只采用半桥模块的2L两电平拓扑;一个半桥模块加一个横管组成的NPC2拓扑(图2);两个半桥模块并联(2*1800A)加一个横管组合的NPC2拓扑。


03

光伏逆变器系统低杂感设计


如何减小回路电感是逆变器系统设计的关键问题。为此本文的方案从功率器件到系统母排设计都做了考虑。


对于横管共集电极模块的设计,在一个封装中的双向开关器件实现了很低的杂感设计。如下图3所示,模块中成对母排中电流方向相反,从而最大限度降低模块中的杂散电感。模块的主功率端子采用正负交替排列的方式,四对母排的设计也同时兼顾了电流输出能力。


图3. 共集电极PrimePACK™模块内部结构图


系统直流母排和交流母排的设计会影响整个功率单元的电气、机械和热特性。为了降低杂散电感,通常采用叠层母排。但是叠层母排如果超过三层,其重量和成本也会明显增加,为此在本文的解决方案中,直流侧采用三层叠层母排,把交流母排组合在一起的时候做了一个避免交叠的设计,避免四层叠层的出现。如下图4所示。


图4. 功率单元叠层母排设计图


04

电气特性实验验证


为了验证本文方案的输出特性,我们在实验室搭建了一个功率单元。采用了前文所述的两个2300V的半桥模块并联加上一个1200V横管的3模块方案,采用上一小结设计的叠层母排。


首先测试的是模块的动态特性,双脉冲实验。母线电压为正负650V(光伏逆变器全功率输出最常用的电压),负载电流2400A(横管的额定电流)。下图显示了在室温下T1管(半桥模块上管)的开通和关断波形。半桥的2300V IGBT芯片设计为高压的快速芯片,可以通过调整门极电阻来调整开关的软度。在本文的测试中,T1管的半桥模块的换流是通过1200V的共集电极横管模块来实现的,关断过电压为190V。


图5. 半桥模块开通和关断波形

(左右滑动可查看图片)


本文方案采用两个半桥模块并联的方案,所以两个模块的均流特性也需要试验验证其均流特性。下图是两个半桥模块上管的开通和关断电流波形,可以看出两个并联模块的均流差异小于3%。


图6. 并联半桥模块在开通关断时的均流波形

(左右滑动可查看图片)


1200V横管的测试条件与半桥模块一样,下图为横管的开关波形。测试电压和电流与之前测试一致。横管的关断过电压为180V。


图7. 横管开通和关断波形

(左右滑动可查看图片)


由于篇幅有限,更多测试波形如反向恢复,小电流正当测试等在这里不一列举。


04

最大输出功率的热评估


为了评估本文方案的功率输出能力,热测试是必须的环节。首先,基于光伏集中式逆变器现场工况用IPOSIM对模块进行损耗的仿真。得出系统在不同输出功率时,每个模块的损耗数值。然后对预埋热电偶的IGBT模块通入恒定的电流,半桥模块通入直流电流,共集电极模块通入交流电流。由于模块在电流经过时,芯片都会有一定的压降,所以可以通过流过模块的电流大小来控制每个模块的发热量。根据之前模块的仿真结果,逐渐加大电流,使模块的损耗逐渐增加,同时通过热电偶来观测模块芯片温度的升高情况,在模块芯片温度达到所允许的最高结温时,记录下此时模块的损耗。对照之前损耗仿真,就可以得出该方案所组成的逆变器最大输出功率。根据最终的测试结果可以看到,该方案的最大输出功率可以达到2MW。


05

总结


本文基于最新一代IGBT7技术的PrimePACK™模块,提出了一种适用于1500V光伏逆变器的解决方案。2.3kV的半桥模块和1.2kV的共集电极模块组成了NPC2拓扑,控制简单且可靠性更高。为了实现最大的单元输出功率,两个半桥模块并联加一个横管的方案被采用,双脉冲实验证明了良好的电气特性,热测试证明该功率单元可以最大输出2MW功率。


参考文献



[1] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Yong Yang, Jia Zhao , “1500V solar inverter at megawatts level in NPC1 topology enabled by high-density IGBT module”, Tencon 2016


[2] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Jia Zhao , Xinyu Sun, “Design of NPC1 power stack beyond megawatt for 1500V solar inverter application”, ECCE Asia 2017



更多信息敬请关注:

Infineon PCIM virtual booth 2020年7月6日的演讲题目:《PrimePACK™ 3+推出新的2300V电压等级,这有助于变频器制造商降低系统成本》。


关于英飞凌

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