新型IGBT模块在DC1500V三电平光伏逆变器中的应用

 新型IGBT模块在DC1500V三电平光伏逆变器中的应用

上海合美电子科技有限公司

1､引言

随着1500V光伏组件的出现，1500V光伏系统凭借其自身的优势在工程中的得到了成功应用。首先，1500V光伏组件可以减少逆变器的直流线缆用量和汇流箱数量，并且能够使得光伏发电系统效率提高1.5%~2%；其次，光伏组件电压的提升，可以降低系统的输出电流，从而能够降低元件的功率损耗和发热，有利于提升光伏发电系统的功率密度。

与此同时，1500V光伏逆变器技术也发生了变革，从目前1000V光伏逆变器广泛采用的两电平发展到能够使得1500V光伏逆变器发挥出更佳性能的三电平。为应对1500V三电平逆变器对功率器件的需求，三菱电机为此开发了专用的三电平IGBT模块。

2､三电平用IGBT模块

三菱电机新型的三电平IGBT模块特点：

采用三菱电机第六代IGBT硅片，可以有效的降低IGBT的功率损耗；

最高工作节温为175℃，减小散热设计难度；

优化了模块的内部结构，减小内部的引线电感；

采用相同的封装尺寸，易于模块在兆瓦级逆变器中的并联应用。

其具体型号及封装尺寸如下：

表1  三菱电机新型三电平IGBT模块列表

2.2 新型三电平IGBT模块在TNPC三电平电路中的应用

CM1000HA-34S与CM500C2Y-24S针对于1500V TNPC三电平电路所设计，其在电路中的位置以及布局如下图：

图3  新型三电平IGBT在TNPC型三电平电路中的应用

3．新型三电平IGBT模块在630kW NPC型三电平中的应用实例

3.1 630kW NPC型三电平功率组件的电路结构及设计目标

随着光伏逆变器的功率容量越来越大，500kW以上的功率等级逐渐成为主流。此设计采用CM1400HA-24S与RM1400HA-24S来搭建630kW 的NPC型逆变器。结构采用功率单元模块的设计方法，方便安装及并联扩展至兆瓦级。每个相单元为一个功率组件，包括4只CM1400HA-24S与2只RM1400HA-24S，以及散热器、驱动板，直流母排和支撑电容等器件。

其功率组件拓扑如下：

图4  630kW  NPC型三电平功率组件电路拓扑

630kW  NPC型三电平功率组件的设计目标如下：

•额定输出功率：630kW

•最大输出视在功率：693kVA

•额定输出电压：540Vrms

•最大输出电流：741Arms

•直流输入电压：780~1200V

•最高输入电压：1500V

•冷却方式：强迫风冷

3.2 IGBT模块的功耗计算

IGBT的损耗包括导通损耗以及开关损耗。我们按照实际工况的100%、120%以及135%的条件对IGBT以及Diode的损耗以及温升进行了计算，其计算条件及结果如下：

计算条件：

Vdc=1200V，按照SPWM方法，调制度M=0.7348，Io=741A/889A/1000A，Vac=540V，Tj=150℃，Fc(Hz)=4.95k，PF=1，Fo=50Hz，Rg:0Ω。

其中ΔT（j-s）为IGBT或Diode芯片与散热器之间的温度差。

计算结果如下表：

表2  IGBT的功率损耗及温升计算结果

图5  不同负载情况下的IGBT及Diode温升对比

从计算结果看出，IGBT及Diode的的温升在不同的负载情况下均比较理想，结合实际情况下的环境温度，采用强迫风冷即可满足要求。

IGBT及Diode在散热器上的布局如下图，这种布局有利于直流母排的设计，同时也有利于功率模块的散热和驱动板的安装。

图6  IGBT及Diode在散热器上的布局图

3.3 IGBT驱动板的设计

本设计中设置两块驱动板，每块驱动板上包含一个驱动器，每个驱动器可驱动两个IGBT。驱动板与IGBT模块直接焊接在一起，驱动板内部含带有有钳位及短路保护功能，其部分原理图及PCB图如下图所示。

图7  驱动板设计图

3.4 630kW NPC型三电平功率组件的结构设计

630kW  NPC型三电平功率组件的结构设计如下图，其尺寸为670*531*215.5mm，保证了散热的同时还具有很高的功率密度。