新型IGBT模块在DC1500V三电平光伏逆变器中的应用

摘    要

随着光伏技术的不断创新，光伏组件已经从十多年前的600V提升到了目前的1500V，而且在实际工程中得到了应用。1500V光伏系统以其低成本及更高的发电效率受到众多用户的重视，同时也向1500V光伏逆变器提出了更高的要求。对于1500V光伏逆变器，从输出特性以及效率角度考虑，三电平拓扑是很好的选择。本文介绍了一种针对于1500V三电平光伏逆变器而设计的新型IGBT模块，介绍了其特点，并给出了其在630kW NPC型三电平逆变器中的应用实例。

关键词：1500V光伏系统，逆变器，IGBT，630kW NPC型三电平

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

新型三电平IGBT模块的内部电路结构如下图：

图1  新型三电平IGBT模块电路结构

2.1

新型三电平IGBT模块在NPC三电平电路中的应用

CM1400HA-24S与RM1400HA-24S针对于1500V NPC型三电平电路所设计，其在电路中的位置以及布局如下图：

图2 新型三电平IGBT在NPC三电平电路中的应用

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。

图8  功率单元结构设计图

图9  功率单元结构分解示意图

4．结论

本文介绍了三菱电机新型三电平IGBT模块的技术特点以及在630kW NPC型三电平中的应用实例。实际测试表明IGBT损耗低，安装方便；逆变器的设计指标均达到要求，且具有体积小，功率密度高及易于安装等优点。