三电平技术在1MW-1500V-光伏应用中的IGBT功率模块解决方案

三电平技术在1MW1500V光伏应用中的IGBT功率模块解决方案Kevin,Lenz,DanfossSiliconPower,GermanyToke,Franke,DanfossSiliconPower,GermanyHenning,Ströbel-Maier,DanfossSiliconPower,Germany*更多资讯，请联系丹佛斯中国：[e-mail]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（cosψ=1），直流母线电压DC-Link=1100V，Tbaseplate=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,cosψ=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（cosψ=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率损耗。实际上模块内部最高的芯片结温，NPC1的要更低一些。这意味着，对于NPC1拓扑，如果限制条件是芯片结温，系统输出功率可以进一步增加。2.3、NPC2和两电平模块在1500V系统应用中寿命会降低1500V光伏发电系统是指光伏电池的开路电压（VOC）为1500V，该电压是光伏电池在没有输出电流情况下的输出电压。短路（ISC）电流则代表了系统最大的输出电流。最大功率点是指的光伏电池输出最大功率的工作点。VMPP和IMPP是该点的工作电压和电流。VMPP约为80-85%×VOC[8,9]VMPP约为95%×VOC[8,9]图5为应用于1500V系统计算的典型的光伏电池特征曲线[12]。图5：典型的光伏电池特征曲线此处不再讨论如何进行最大功率追踪的问题，但是对于选择合适的拓扑结构，很重要的一点是知道VMPP的值。VMPP大约为VOC的80-85%，可以达到1300V。在文献[10,11]中讨论了高母线电压由于宇宙射线效应失效对逆变器寿命限制的问题。本文不展开讨论宇宙射线失效的根本原因。概要来讲，FIT率受到几个因素的影响，包括温度、海拔、母线电压、芯片尺寸以及循环周期。因此受到宇宙射线影响，每个器件的FIT率会在母线电压升高的情况下升高。图6：直流电压1300V时每个开关管承受的电压对于NPC2以及两电平拓扑，1700V的IGBT芯片需要承受全部的母线电压VDC（图6所示的1300V电压VMPP）。对于NPC1拓扑，1300V的母线电压分成两个650V，由两个1200V的IGBT芯片分别承担。因此，对于NPC1拓扑，宇宙射线引起的FIT率会在一个较低的正常值[10]，这是设计一个鲁棒性较好的系统需要认真考虑的问题。3、直接水冷可以减小结温达17K水冷方式在设计高功率密度系统中是非常重要的。直接或者非直接水冷可以优化冷却效率[3]。丹佛斯硅动力研发了一种低成本的直接水冷方式，ShowerPower®[13,14]。本文使用了FloEFD进行仿真来评估这种直接水冷系统的散热性能的优劣。在仿真中，应用的功率损耗是根据DICAT计算的结温而来[4]。该计算基于NPC2拓扑的模块DP700N1700TU104202参数进行。图7：左：温度与功耗的关系[4]；右：风冷系统的3D仿真模型（风扇：EBMPabst8412NH（80m3/hmax），冷却空气温度：55℃，散热器：FischerLV17）图8：左：结温与流量的关系；右：ShowerPower®的3D仿真模型JunctionTemperature空气冷却直接水冷T1/T4119℃102℃D3/D4109℃94℃T2/T396℃80℃图9：空气冷却和直接水冷的结温仿真结果从仿真结果来看，直接水冷相比空气冷却可以降低结温达17K，可以用于提高产品的功率密度同时降低成本。4、选择最合适的IGBT芯片何以降低功耗8%丹佛斯硅动力是一家芯片多样化的IGBT模块和MOSFET模块生产商。芯片多样化可以在不同的应用中配置最合适的半导体芯片。对于前面描述的NPC1拓扑的模块，IGBT和二极管芯片来至于知名厂商英飞凌。对于1200V芯片，不同的IGBT芯片的选择需要权衡。中功率IGBT芯片具有低开关损耗以及稍微高一点的导通损耗相对于高功率IGBT芯片。但是中功率芯片在关断的时候由di/dt引起的过电压导致的震荡风险大一些[15]。内管T2，T3在大多数情况下不会有较大的开关频率但是要流过整个周期的正弦电流。对于内管芯片，低导通损耗比低开关损耗更加重要。对于外管IGBT芯片T1，T4低开关损耗更加重要，因为外管芯片承受完全的系统开关频率。图10：左：中功率和高功率IGBT芯片的计算参数[16,17]；右：中功率和高功率芯片用于外管的功耗对比（540A,540V,cosψ=1,Link=1100V，Tbaseplate=100℃）下面的分析展示了采用不同芯片的NPC1模块的对比结果。对于两种模块，内管都是高功率IGBT芯片。其中一个模块的外管芯片是高功率IGBT芯片，另外一个是中功率的IGBT芯片。两种解决方案均和基于当前技术水平的1200V/600AIGBT芯片的NPC1模块作对比。功耗的计算结果如图11（左）所示。图中的数值为估算值，在实际应用中还需要进一步评估。图中展示了外管使用中功率IGBT芯片的优势。外管芯片使用中功率IGBT芯片对比高功率IGBT芯片可以减小5-10%的损耗。图11：每个IGBT模块的功率损耗；左：不同输出功率条件下；右：不同开关频率条件下（540A,540V,cosψ=1,DC-Link=1300V，Tbaseplate=100℃）例如在4K开关频率下，使用中功率IGBT1200V/700A芯片作为外管的模块功耗最低，同时在系统应用中可以带来更高的效率和功率密度，同时减小功率损耗5%左右。需要注意的是，使用中功率IGBT芯片的优势是依赖于系统的开关频率。开关频率越高，越有必要外管使用中功率IGBT芯片。上图同时也说明了对于600A模块系统，使用700A芯片比较使用600A芯片可以减小功耗8%左右。这对设计更高效率的逆变器具有重要的意义。5、基于NPC1的逆变器以及直接水冷系统本文搭建了一个基于600A芯片NPC拓扑的逆变器测试系统，模块采用ShowerPower®方式冷却。测试系统是基于背靠背方式搭建，两个逆变器通过一个直流电源来供电，该直流电源也是用来补充功率损耗。第一个逆变器作为被测设备（DUT），第二个作为接受设备（两电平系统）使系统功率在两个设备之间循环。系统框图如图12所示。由于没有差分电压检测，难以测量系统的效率。因此，使用一种新的测量方法。系统中直流供电系统是用于在逆变器不工作时计算测量单元的功率损耗的。而逆变器工作时，系统的所有功率损耗也等于此时直流供电系统的功率输出[18]。图12：循环测试系统的实验原理框图图13展示了三电平系统输出的端子线电压和线电流的波形。该波形是典型的三电平波形。可以测量得到，在不同工作点下系统的工作效率（不包括交流滤波器）在99%（高电压，低电流）以上。图13：实验测试的交流线电压和线电流波形（m=1，cosψ=1,DC-Link=1200V，Tambient=25℃,Irms=600A,fout=50Hz,fSW=4500Hz）6、结论本文介绍了光伏1500V系统的标准系统，讨论了应用两电平与三电平方案的优点以及缺点。两电平方案会产生较高的功耗，不利于兆瓦级的光伏电站目标设计效率。两种三电平方案在不同的应用中均有各自的优点。NPC2具有在低开关频率时低功耗的优点。但是NPC2同两电平一样，不能应用于较高的母线。为了减小光伏逆变器的体积，使用的IGBT模块的数量应该尽可能的少。本文验证了如何通过选择正确的IGBT芯片，增加额定电流从600A到700A可以减少功耗达8%，并进一步允许减少并联模块的数量。同时，IGBT模块的应用方式也很大的影响着模块的使用效率。通过一个高效的冷却方式，优化的门极驱动以及PWM调制策略，每个IGBT模块的效率可以得到提高。综合这些因素决定了实际的系统中需要并联多少模块。*更多资讯，请联系丹佛斯中国：[e-mail]7、参考文献[1].H.Preckwinkel,A.Bünte,J.Böcker,N.Fröhleke,K.Dora,ANovelLowCostSolarCentralInvertersTopologyWith99.2%Efficiency,EPE2013[2].A.Nagae,I.Takahashi,H.Akagi,Anewneutral-point-clampedPWMinverter,IEEE1981[3].SemikronApplicationshandbuch,ISBN978-3-938843-56-7[4].DanfossIGBTCalculationTool(DICAT),[e-mail][5].K.Lenz,V.Jerinic,R.Hinken,Inv