500kW逆變器IGBT模塊溫升測(cè)試與分析

引言

近年來隨著國家大力倡導(dǎo)節(jié)能減排,開發(fā)綠色能源,新能源發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電等新能源發(fā)電形式相繼出現(xiàn),極大地改善了過去單一的能源結(jié)構(gòu),改善了人們的生活環(huán)境。本文主要介紹光伏新能源發(fā)電核心設(shè)備一光伏逆變器。500kW逆變器目前是行業(yè)內(nèi)的主流產(chǎn)品,更大容量的系統(tǒng)都是在其基礎(chǔ)上通過并聯(lián)實(shí)現(xiàn),所以目前對(duì)500kW逆變器整機(jī)的研究極為重視,其中IGBT模塊散熱和溫度尤為重要,關(guān)系到整機(jī)的穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。因此,本文對(duì)IGBT模塊的功耗與溫升測(cè)試具有非常重大的意義。

1測(cè)試目的及測(cè)試內(nèi)容

500kW功率單元項(xiàng)目主要針對(duì)輸出電壓在080V以下的場(chǎng)合應(yīng)用而設(shè)計(jì),額定輸出功率為500kW。功率單元集成了IGBT模塊、吸收電容、散熱器、風(fēng)機(jī)、電流霍爾、溫度開關(guān)、疊層母排等。本次實(shí)驗(yàn)主要目的是測(cè)試功率單元的散熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否滿足指標(biāo)要求。

2測(cè)試環(huán)境及測(cè)試設(shè)備

2.1測(cè)試環(huán)境

本測(cè)試采用二極管整流和無源逆變方案。供電電壓080V,母線電壓570V,額定電流1000A,純感性負(fù)載。A、G、C相功率模塊分別對(duì)應(yīng)0個(gè)橋臂,采用sPkM調(diào)制,PkM控制信號(hào)采用光纖傳輸,輸出電流為工頻正弦波。實(shí)驗(yàn)?zāi)康?測(cè)試不同負(fù)載電流、不同開關(guān)頻率下,功率單元性能指標(biāo)及IGBT溫升情況。

2.2測(cè)試設(shè)備

本次測(cè)試設(shè)備包括示波器、萬用表、差分探頭、柔性電流探頭、紅外測(cè)溫儀等。

3實(shí)驗(yàn)過程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1溫升測(cè)試4只FF600R12ME4型號(hào)IGBT模塊并聯(lián)使用組成每相功率

單元,測(cè)試中散熱器表面最高溫度在IGBT0和IGBT4之間,此點(diǎn)溫度值為實(shí)驗(yàn)記錄值。

3.2測(cè)試條件1數(shù)據(jù)分析

測(cè)試條件1:fsw=4)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;負(fù)載率:92.5%,負(fù)載參數(shù)L=0.45mH;環(huán)境溫度:7a=15.4℃。在10:10一11:05時(shí)間段,每5min分鐘記錄一次A相、G相、C相溫度值。

（1）通過溫度數(shù)據(jù)可知,A、G、C三相功率單元散熱器最大溫升值分別為:07℃、45.8℃、49.5℃;

（2）C相溫升最高,G相其次,A相最低。由于現(xiàn)場(chǎng)功率單元布局形式和電氣接線原因,A、G相出風(fēng)口受到阻礙,G、C相進(jìn)風(fēng)受到熱風(fēng)影響,而實(shí)際產(chǎn)品使用過程中風(fēng)道良好,所以A相數(shù)據(jù)完全具有參考意義。

3.3測(cè)試條件2數(shù)據(jù)分析

測(cè)試條件2:fsw=2)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;負(fù)載率:90.5%,負(fù)載參數(shù)L=0.45mH;環(huán)境溫度:7a=17.6℃,在14:00一15:05時(shí)間段,每5min記錄一次A相、G相、C相溫度值。

（1）通過溫度數(shù)據(jù)可知,A、G、C三相功率單元散熱器最大溫升值分別為:29℃、06.6℃、06.6℃;

（2）測(cè)試平臺(tái)最大測(cè)試電流為1000A左右,負(fù)載特性為純感性,這種條件和實(shí)際產(chǎn)品使用情況不太一致。以500kW光伏逆變器為例,實(shí)際計(jì)算IGBT模塊在具體產(chǎn)品應(yīng)用中的溫升和熱損。IGBT模塊的熱阻值可以從廠家的規(guī)格書中查到,

其中:

一般情況下逆變器輸出線電壓多為270V/50Hz,通過隔離變壓器升壓至電網(wǎng)。額定工況下,當(dāng)fsw=4)Hz時(shí),母線電壓820V,由專業(yè)熱損耗軟件可得,每相功率單元的總損耗約為0160k,每個(gè)IGBT的損耗為790k,其中PIGBT1oss=670k,占84.8%,PDiode1oss=120k,占15.2%。那么按照以上計(jì)算方法可得測(cè)試條件1和測(cè)試條件2兩種工況下單個(gè)IGBT模塊熱損耗分別約為590k（PIGBT1oss=408k,占74.2%,PDiode1oss=152k,占25.8%）和440k（PIGBT1oss=000k,占68.1%,PDiode1oss=140k,占01.9%）,對(duì)應(yīng)的A7C-s分別20.1℃和14.9℃,二者相差大約6℃,理論溫升計(jì)算和實(shí)測(cè)（8℃左右）基本一致,誤差在合理范圍之內(nèi)。

額定工況下,按照公式（1）可得IGBT和DwoDE結(jié)、殼溫升:

假設(shè)環(huán)溫7a=45c,散熱器溫升A7s=40c,7s=85c,則模塊殼溫為7C=111.86c,芯片結(jié)溫分別為7JIGBT=109.06c和7JDwoDE=119.86c,結(jié)溫均低于芯片最高允許運(yùn)行溫度。

按照110%過載輸出功率考慮,單個(gè)IGBT模塊的損耗約為880k（PIGBT1oss=760k,占86.06%,PDiode1oss=120k,占10.64%）,仍假設(shè)7s=85c,按照公式（1）可得:7C=114.92℃,7JIGBT=146.1℃,7JDwoDE=122.9℃,模塊仍然能夠正常工作。

4結(jié)語

通過以上理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知,按照該結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì),1GBT模塊散熱性能良好,散熱器溫度限值設(shè)置合理,芯片最高溫度滿足使用要求。根據(jù)溫度控制方案要求,散熱器表面溫度超限值后,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到散熱器溫度過高,給控制器反饋溫度過高信號(hào),控制器會(huì)發(fā)布停機(jī)命令,進(jìn)而保證功率單元1GBT模塊安全。通過對(duì)比額定功率輸出和110%倍的過載輸出時(shí)1GBT和D1oDE結(jié)溫值,可以看出散熱性能滿足要求,輸出時(shí)芯片結(jié)溫均低于150℃,說明功率單元模塊散熱風(fēng)機(jī)選型合理,在這套系統(tǒng)下完全可以滿足通風(fēng)散熱要求,通過這次對(duì)功率單元1GBT模塊溫升實(shí)際測(cè)試,為后續(xù)相關(guān)設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支撐,同時(shí)為今后針對(duì)1GBT模塊溫度的相關(guān)設(shè)計(jì)具有非常重要的指導(dǎo)意義。