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三电平IGBT功率模块的技术分析以及应用

变流技术 | 发布时间:2017-10-14 | 人气: | #评论# |本文关键字:三电平技术,IGBT
摘要: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几个点。减少IGBT功率模块并联数量是减小体积和降低成本的关键

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几个点。减少IGBT功率模块并联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拓扑结构,讨论了不同中性点钳位(NPC)拓扑的有点。


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。


▲图1:NPC1(左),NPC2(中),两电平半桥拓扑(右)


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,作者设计了一个仿真计算工具(AutoCal)。该工具可以计算两电平以及三电平的功率损耗,同时用户可以选择计算评估所使用的芯片。图2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2: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。当然,对芯片的选择可是客观重要的,低开关损耗和低导通损耗的IGBT的配置也是会产生很大的影响。


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3: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2的结果,NPC2拓扑在一定频率范围内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,如果限制条件仅仅是芯片结温,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4为应用于1500V系统计算的典型的光伏电池特征曲线[12]。

图4: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5: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5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、选择最合适的IGBT芯片可以降低功耗8%

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6: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, cos ψ=1, Link=1100V,T baseplate=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/600A IGBT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7: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, cos ψ=1, DC-Link=1300V,T baseplate=100℃)



4、结论

本文介绍了三电平的标准系统,讨论了应用两电平与三电平方案的优点以及缺点。NPC2具有在低开关频率时低功耗的优点。但是同两电平一样,不能应用于较高的母线,而NPC1适用于更高的母线电压系统以及在更高的开关频率下取得更低的功率损耗。



5、参考文献

  1. H. Preckwinkel, A. Bünte, J. Böcker, N. Fröhleke, K. Dora, A Novel Low Cost Solar Central Inverters Topology With 99.2 % Efficiency, EPE 2013

  2. A. Nagae, I. Takahashi, H. Akagi, A new neutral-point-clamped PWM inverter, IEEE 1981

  3. Semikron Applicationshandbuch, ISBN 978-3-938843-56-7

  4. Danfoss IGBT Calculation Tool (DICAT), V2. Available on request [email protected]

  5. K. Lenz, V. Jerinic, R. Hinken, Investigation of short circuit in a IGBT power module with Three-Level Neutral Point Clamped Type 2 (NPC2, T-NPC, mixed voltage) topology, APEC 2016

  6. V. Jerinic, K. Lenz, IBGT Power Module in Three-Level Neutral Point Clamped Type 2 (NPC2,T-NPC, Mixed Voltage) Topology in Short Circuit Modes, PCIM Nuremberg 2016

  7. Lenz, K., Rudzki, J., Osterwald, F., Poech, M., New IGBT Power Module Concept for Wind Power Application in NPC Topology with Enhanced Reliability, PCIM Nuremberg, 2015

  8. TSM-PC05 TSM-PA05, Datasheet solar cell, Trinasolar

  9. SW 250 mono /Version 2.0 and 2.5 Frame, Datasheet solar cell, Sunmodule, www.solarworld.com

  10. U. Scheuermann, U. Schilling, Cosmic Ray Failures of Power Modules – The Diode Makes the Difference, PCIM Nuremberg 2015

  11. J. Lutz, H. Schlangenotto, U. Scheuermann, R. De Doncker, Semiconductor Power Devices, ISBN 978-3-642-11124-2

  12. A. Wagner, Photovoltaik Engineering, Springer VDI, ISBN–13 978-3-540-30732-7

  13. K. Olesen, R. Bredtmann, R. Eisele, “ShowerPower” New Cooling Concept for Automotive Applications, APEC 2006

  14. ShowerPower® Application Note

  15. M. Bäßler, A. Ciliox, P. Kanschat, On the loss - softness trade-off: Are different chip versions needed for softness-improvement?, PCIM 2009

  16. Datasheet IGBT Chip IGC142T120T8RM

  17. Datasheet IGBT Chip IGC142T120T8RH

  18. B. Benkendorff, W.-T. Franke, F. W. Fuchs, Efficiency Verification Power Circulation Method of a High Power Low Voltage NPC Converter for Wind Turbines, PCIM 2016


责任编辑:电气自动化网

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