英飛凌大功率高效光伏逆變器解決方案

時(shí)間：2012-05-28 01:10:54

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[導(dǎo)讀]1 引言隨著用電量的逐年攀升以及減少溫室氣體排放的呼聲越來(lái)越高，新能源產(chǎn)業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，其中太陽(yáng)能由于獲取方便的特點(diǎn)正越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。但是太陽(yáng)能電池板占地面積比較大，如果需要大功率并

1 引言

隨著用電量的逐年攀升以及減少溫室氣體排放的呼聲越來(lái)越高，新能源產(chǎn)業(yè)正以前所未有的速度發(fā)展，其中太陽(yáng)能由于獲取方便的特點(diǎn)正越來(lái)越受到人們的廣泛關(guān)注。但是太陽(yáng)能電池板占地面積比較大，如果需要大功率并網(wǎng)發(fā)電只有依靠大功率光伏電站的建設(shè)，近幾年好多國(guó)家都大量建設(shè)了大功率光伏電站，作為其核心組成部分的大功率光伏逆變器也得到了快速發(fā)展。IGBT 模塊由于其自身的可控，電壓等級(jí)高，電流密度大，開(kāi)關(guān)頻率高等特點(diǎn)已成為大功率光伏逆變器的主流功率器件。目前電池板產(chǎn)生的直流電如何高效率地并入電網(wǎng)成為人們研究的重點(diǎn)，效率是評(píng)價(jià)光伏逆變器的最重要指標(biāo)之一，而大功率光伏逆變器拓?fù)鋷缀醵紴槿嗳珮?，提高效率主要靠降?IGBT 模塊的損耗來(lái)實(shí)現(xiàn)，IGBT 模塊對(duì)于提高逆變器效率顯得尤為重要。PrimePACK? 作為英飛凌公司最新一代大功率 IGBT 模塊目前已功率應(yīng)用場(chǎng)合得到了普遍應(yīng)用。

2 大功率光伏逆變器工作原理

太陽(yáng)能電池板方陣產(chǎn)生的直流電通過(guò)正弦波脈寬調(diào)制光伏逆變器向電網(wǎng)輸送滿足電網(wǎng)規(guī)定指標(biāo)的電能，逆變器饋送給電網(wǎng)的電力由光伏方陣功率和當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐娜照諚l件決定。逆變器除了具有將太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)化成特定電壓和頻率的交流電基本功能外，還必須具有MPPT(最大功率跟蹤)功能，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)的干擾進(jìn)行可靠監(jiān)測(cè)，并在電網(wǎng)出現(xiàn)故障時(shí)斷開(kāi)與電網(wǎng)的連接。

大功率光伏逆變器大多為并網(wǎng)型，電路拓?fù)浠緸槿嗳珮?，圖 1 是大功率并網(wǎng)型光伏逆變器的典型拓?fù)洌↖GBT模塊作為全橋逆變的功率器件）。從該拓?fù)淇梢钥闯稣麄€(gè)逆變器損耗主要來(lái)自于IGBT 模塊和變壓器，因此如何選擇IGBT 模塊來(lái)提高逆變器效率成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。

3 PrimePACK™介紹

PrimePACK™是英飛凌最新一代的IGBT 模塊，目前已廣泛應(yīng)用于風(fēng)能，太陽(yáng)能等大功率高端場(chǎng)合，它具有寄生電感小，熱阻低等優(yōu)點(diǎn)，并且裝配了第四代IGBT 芯片和反并聯(lián)二

極管，整個(gè)模塊的溫度周次和功率周次都大幅提高。

3.1 低寄生電感設(shè)計(jì)

如圖2 所示，PrimePACK™模塊內(nèi)部正負(fù)母線采用疊層母排設(shè)計(jì)，寄生電感相對(duì)較低，半橋結(jié)構(gòu)的 PrimePACKTM2 和 PrimePACKTM3 的寄生電感典型值分別為 18nH 和 10nH, 與之相對(duì)應(yīng)的原先的IHM 模塊整個(gè)半橋的寄生電感將達(dá)到45nH, PrimePACK?的寄生電感相比降低了50%多。

太陽(yáng)能電池板的空載電壓比較高，有時(shí)達(dá)到 900V, 幾乎達(dá)到 1200V 模塊所能應(yīng)用的母線電壓極限。除了母排寄生電感要求設(shè)計(jì)的比較小以外，對(duì)IGBT 模塊內(nèi)部寄生電感要求比較高，因此 PrimePACK?是非常適合光伏逆變器設(shè)計(jì)的。另外由于 PrimePACK?的寄生電感比較低，可以把PrimePACK?驅(qū)動(dòng)得更快些，從而降低開(kāi)關(guān)損耗提高逆變器效率。

3.2低Rthch （殼到散熱器熱阻）設(shè)計(jì)

如圖3 所示對(duì)應(yīng)于內(nèi)部DCB 襯底，PrimePACK?2 和PrimePACK?3 分別用了 10 個(gè)和14 個(gè)螺絲來(lái)固定銅基板和散熱器，一方面可以更好地適應(yīng) PrimePACK?細(xì)長(zhǎng)的封裝，另一方面可以使每一個(gè)襯底上的IGBT 芯片獲得幾乎對(duì)稱的散熱條件，因此Rthch 得以大幅降低。

結(jié)果非常明顯:PrimePACK™2 的銅基板面積是 153cm ,模塊的 Rthch 典型值是 4K/kw,對(duì)應(yīng)于半橋結(jié)構(gòu)的IHM 模塊銅基板面積為 182cm ，但是模塊的Rthch 典型值是6K/kw,可以看出PrimePACK™2 用較小的銅基板面積獲得了更小的Rthch, 非常有益于散熱。

3.3 IGBT4 和 Emcon4

3.3.1) IGBT4

PrimePACK™ 由于是一種新封裝，它里面裝的芯片都是最新的第四代IGBT 芯片IGBT4，都是基于溝槽柵場(chǎng)終止技術(shù)開(kāi)發(fā)的IGBT 芯片。它的最大的優(yōu)點(diǎn)就是飽和壓降很低，比較適

合大功率場(chǎng)合應(yīng)用來(lái)提高系統(tǒng)效率。根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，分別在 PrimePACK™中放入了第四代的E4 芯片和P4 芯片。

E4 芯片是主要針對(duì)中功率應(yīng)用，對(duì)芯片的軟特性和開(kāi)關(guān)損耗做了折中處理，在保證比較小的關(guān)斷損耗的情況下，得到比較好的軟特性。P4 芯片主要是針大功率應(yīng)用優(yōu)化的，芯片的關(guān)斷特性很軟，但是相應(yīng)的關(guān)斷損耗也隨之增加，比較適合大電流場(chǎng)合。

3.3.2) Emcon4

所有 PrimePACK™中 IGBT 的反并聯(lián)二極管都是最新一代的 Emcon4，而且根據(jù)所配IGBT 芯片的不同，二極管也會(huì)進(jìn)行優(yōu)化。 Emcon4 主要是使其反向恢復(fù)更軟，這樣使得IGBT開(kāi)通特性變得更軟，降低了EMI,這樣就允許在相同軟度的情況下用較小的開(kāi)通電阻來(lái)更快地開(kāi)通IGBT 從而使開(kāi)通損耗降低。

3.4 功率周次和溫度周次得到明顯提高

PrimePACK™對(duì)IGBT 芯片的鍍層進(jìn)行了優(yōu)化，連接線的參數(shù)和連接工藝得到大幅改進(jìn)，因此功率周次明顯提高。從圖4 可以看出，在工作結(jié)溫 125 度下，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的4 倍，如果PrimePACK?的工作結(jié)溫提高到150 度，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的2 倍。

PrimePACK™為了獲得更高的溫度周次做了很多改進(jìn)：利用增強(qiáng)型作為襯底來(lái)減小銅基板和襯底之間的熱膨脹系數(shù)；在銅基板和襯底之間加了支架使得銅基板和襯底之間的焊接更加均勻；功率端子和襯底之間運(yùn)用超聲波焊接工藝。所有這些使得PrimePACK?的溫度周次和 IHM 相比明顯提高（如圖 5 所示），雖然它的溫度周次沒(méi)有達(dá)到牽引級(jí)標(biāo)準(zhǔn)（AlSiC 加AlN 襯底，價(jià)格很貴），但是毫無(wú)疑問(wèn)PrimePACK?性價(jià)比最好。[!--empirenews.page--]

由于PrimePACK™功率周次和溫度周次的改進(jìn)，使得光伏逆變器中的IGBT 模塊的壽命足已達(dá)到20 年以上（電池板使用壽命20 年），能很好地配合整個(gè)光伏系統(tǒng)的持久安全運(yùn)行。

4 PrimePACK™在大功率光伏逆變器中的應(yīng)用目前PrimePACKTM 在 100KW 及其以上功率的大功率光伏逆變器中已得到了廣泛應(yīng)用，已成為這個(gè)功率等級(jí)的光伏逆變器的主流功率器件。

4. 1）PrimePACK™封裝的應(yīng)用

PrimePACK™ 是一款比較大的封裝，根據(jù)電流等級(jí)的大小分別設(shè)計(jì)了 PrimePACK 和 PrimePACK™ 3 封裝。

對(duì)于 1200V/450A IGBT 模塊我們分別采用兩種不同封裝IGBT 模塊來(lái)對(duì)比(見(jiàn)圖6)，即EconoDUAL3 封裝(銅基板面積 122*62mm )的FF450R12ME4 和 PrimePACK™2封裝(銅基板面積 172*89mm )的FF450R12IE4。

以100kw 光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500V,有效電流 Irms=213A, 開(kāi)關(guān)頻率fsw=5KHz,開(kāi)通關(guān)斷門極電阻Rgon/off=2.5Ω/3.1Ω，EconoDUAL3 的散熱器到環(huán)境的熱阻為利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表1所示（都是基于一個(gè)IGBT單元的損耗仿真）：

很明顯 PrimePACK™2 由于銅基板面積大，殼到散熱器的熱阻Rthch 是 EconoDUAL3的一半，所以在相同損耗和相同環(huán)境溫度下，PrimePACK™2 的結(jié)溫要低，反過(guò)來(lái)使得IGBT芯片的飽和壓降和開(kāi)關(guān)損耗都降低，使總損耗降低，可以發(fā)現(xiàn)使用相同的驅(qū)動(dòng)電阻FF450R12IE4 要比FF450R12KE4 整機(jī)效率提高0.15％。

注：

IGBT conduction loss----IGBT 導(dǎo)通損耗；IGBT switching loss----IGBT 開(kāi)關(guān)損耗；

Rthjc(per IGBT)----IGBT 芯片結(jié)對(duì)殼的熱阻；Diode conduction loss----二極管導(dǎo)通損耗；

Diode switching loss----二極管開(kāi)關(guān)損耗；Rthjc(per Diode)----二極管芯片結(jié)對(duì)殼的熱阻；Rth heatsink(per arm)---- 散熱器對(duì)每個(gè)IGBT 和二極管單元的的熱阻；Total loss----總損耗； Tj----結(jié)溫

4.2）大電流等級(jí)的PrimePACK?在光伏逆變器中的應(yīng)用

光伏逆變器不同于普通逆變器，它追求高效率，因此對(duì) IGBT 要求損耗要小，圖 7 是FF600R12IE4 和 FF900R12IE4 的Vcesat--Ic(飽和壓降－電流) 曲線圖，從圖上可以看出對(duì)應(yīng)于 150℃結(jié)溫下 600A 電流，F(xiàn)F900R12IE4 的飽和壓降為 1.6V,FF600R12IE4 的飽和壓降為2.1V, 因此導(dǎo)通損耗相差很大。

以200kw 光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500v,有效電流 Irms=426A, 開(kāi)關(guān)頻率 fsw=5KHz,開(kāi)通關(guān)斷門極電阻 Rgon/off=1.8Ω/2.2Ω，利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表2 所示（都是基于一個(gè)IGBT 單元的損耗仿真）：

5.PrimePACK™的最新發(fā)展

由于傳統(tǒng) IGBT 和二極管芯片的損耗限制，大功率光伏逆變器的開(kāi)關(guān)頻率一般不超過(guò)5KHz,帶來(lái)的問(wèn)題就是濾波器電感體積大，損耗也大，因此 IGBT 和二極管芯片的開(kāi)關(guān)損耗成為制約逆變器開(kāi)關(guān)頻率提高的瓶頸，為了突破這一瓶頸，英飛凌推出了 KS4 的 IGBT 芯片和SiC 二極管芯片組合，并用PrimePACK™2 封裝，型號(hào)為FF600R12IS4F。

KS4 芯片是英飛凌最快的IGBT 芯片，關(guān)斷損耗很小，適合高頻應(yīng)用中開(kāi)關(guān)損耗占大部分損耗的場(chǎng)合，SiC 二極管的反向恢復(fù)損耗為零，只有的很小的寄生電容的反向損耗，因此兩者組合特別適合高頻應(yīng)用，頻率越高，優(yōu)勢(shì)越明顯。

我們以FF600R12IE4 和FF600R12IS4F 為例作對(duì)比，如表3 所示，F(xiàn)F600R12IS4F 無(wú)論IGBT 的開(kāi)關(guān)損耗還是二極管的反向恢復(fù)損耗都大幅降低。

Eon—開(kāi)通損耗；Eoff—關(guān)斷損耗；Erec—反向恢復(fù)損耗；Qr—反向恢復(fù)電荷。

還是以 100kw光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500v,有效電流Irms=213A,在不同的開(kāi)關(guān)頻率利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表4 所示（都是基于一個(gè)IGBT 單元的損耗仿真）：

fsw—開(kāi)關(guān)頻率；Total Loss—總損耗；Tvj—工作結(jié)溫。

可以看出隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，F(xiàn)F600R12IS4F 和FF600R12IE4 相比總損耗明顯要低，在20KHz 開(kāi)關(guān)頻率下，總損耗只有FF600R12IE4 的66％。因此FF600R12IS4F 非常適合高頻光伏逆變器應(yīng)用。

6.總結(jié)

PrimePACK?是英飛凌推出的最新一代大功率IGBT 模塊，它集合了最新的芯片和封裝技術(shù)，在大功率場(chǎng)合很受歡迎。光伏逆變器追求高效率，PrimePACK?的芯片和封裝技術(shù)能大大降低IGBT 總損耗從而提高光伏逆變器效率，因此在大功率光伏逆變器中得到了廣泛應(yīng)用，已成為大功率光伏逆變器的主流功率器件，實(shí)踐表明 PrimePACK?是一款非常適合大功率光伏逆變器應(yīng)用的性價(jià)比很高的IGBT 模塊。

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