三电平技术在1MW 1500V 光伏应用中的IGBT功率模块解决方案.pdfVIP

三电平技术在1MW 1500V 光伏应用中的 IGBT 功率模块解决方案 Kevin, Lenz, Danfoss Silicon Power, Germany Toke, Franke, Danfoss Silicon Power, Germany Henning, Ströbel-Maier, Danfoss Silicon Power, Germany * 更多资讯，请联系丹佛斯中国：zengzhigang@ 摘要 在光伏发电应用中，目前的趋势是向开路电压1500V 系统发展[1]。效率高、成本低、 体积小是光伏逆变器设计最关心的。减少并联的IGBT 功率模块数量是减小体积和降低成本 的关键。选择正确的拓扑结构可以通过提高开关频率来减小滤波器的体积。本文介绍了一种 三电平的IGBT 功率模块，该模块可以减少系统中模块并联的数量。同时，进一步讨论了不 同中性点钳位（NPC ）拓扑的优点以及一种直接水冷系统。 1、三电平IGBT 模块 为了获得更加高效率的解决方案，三电平技术正在变得越来越重要，甚至在兆瓦 （WM ）级的高功率应用中。中性点钳位的三电平技术先后发展出了两种拓扑结构NPC1 和 NPC2 （图1）[2]。两种拓扑结构在不同的应用中各有优点。本文介绍了一种基于这两种拓 扑的采用相同封装和引脚的IGBT 功率模块。 图1：NPC1 （左），NPC2 （中），两电平半桥拓扑（右） 丹佛斯P3L® 模块封装是一种多电平应用的标准封装，一个完整的低杂散电感NPC1[7] 和NPC2[5,6]拓扑为高功率应用提供了三电平的优势。 图2 ：丹佛斯硅动力的P3L® （NPC1 和NPC2 ）以及P3 （半桥）模块 2、NPC1 和NPC2 的优缺点 2.1、NPC2 在低开关频率下效率更高 为了满足高效的逆变器的设计要求，IGBT 模块的功率损耗是重要的影响因素。为了评 估三电平模块对比两电平半桥模块在功率损耗上的优势，设计了一个仿真计算工具 （DICAT ）[4]。图3 展示了基于模块参数手册的NPC1 和NPC2 以及两电平方案的计算功率 损耗对比。仿真计算参数为，IAC=540Arms ，VAC=540V ，功率因数（cos ψ=1 ），直流母线 电压DC-Link=1100V ，T baseplate=100 ℃。 图3 ：NPC1 ，NPC2 ，以及两电平结构在不同开关频率下每个模块的功率损耗 在逆变器中，开关频率决定了选择哪种拓扑可以产生最小的功率损耗。两电平结构产生 最小的导通损耗，但是最高的开关损耗；NPC1 拓扑产生最高的导通损耗，但是最小的开关 损耗；NPC2 拓扑的导通损耗和开关损耗与两电平和NPC1 相比都处于两者之间。因此，需 要知道目标开关频率才能最有效的选择拓扑结构。 2.2、NPC1 具有更好的温度平衡性能而允许更高的功率密度 在增加IGBT 功率模块的功率密度的时候，模块的结温是一个限制设计条件。如今， IGBT 和二极管技术允许运行温度在150℃。考虑到设计冗余、过载工况、以及寿命因数， 在系统设计中，模块最大结温被降额到低一些的值，比如125℃。 图4:NPC1 以及NPC2 的功率损耗以及结温分布（540A,540V, cos ψ=1, DC-Link=1100V ） 根据图3 的结果，NPC2 拓扑产生更少的功率损耗以及更高的转换效率。图4 中，展示 了在开关频率为3K，功率因数（cos ψ=1 ）为1 的情况下，NPC1 和NPC2 拓扑的结温表 现。在这种情况下，NPC2 拓扑中不同开关管之间的功率损耗分布更差一些。其中T1 管的 损耗增加显著的多于T2 管，因此，T1 管的结温将会限制系统的最大工作电流。在NPC1 拓 扑中，T1 管较之T2 管同样产生更多的功率损耗，并成为限制因素。但是，在NPC1 拓扑 中，T1 管与T2 管的功率损耗不匹配以及芯片温度与基板温度的差别问题都会更好一些。 这种现象可以解释为由于NPC2 拓扑中使用的1700V 的IGBT 芯片的开关损耗更大一 些。而在NPC1 拓扑中使用1200V 的IGBT 芯片产生更小的开关损耗。 即使NPC1 比NPC2 拓扑在较低开关频率的时候产生更多的功