隨著光伏技術(shù)的不斷創(chuàng)新,，光伏組件已經(jīng)從十多年前的600V提升到了目前的1500V,，而且在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用,。1500V光伏系統(tǒng)以其低成本及更高的發(fā)電效率受到眾多用戶的重視,，同時(shí)也向1500V光伏逆變器提出了更高的要求,。對(duì)于1500V光伏逆變器,，從輸出特性以及效率角度考慮,，三電平拓?fù)涫呛芎玫倪x擇,。本文介紹了一種針對(duì)于1500V三電平光伏逆變器而設(shè)計(jì)的新型IGBT模塊,，介紹了其特點(diǎn)，并給出了其在630kW NPC型三電平逆變器中的應(yīng)用實(shí)例,。
關(guān)鍵詞：1500V光伏系統(tǒng),，逆變器，IGBT,，630kW NPC型三電平
隨著1500V光伏組件的出現(xiàn),，1500V光伏系統(tǒng)憑借其自身的優(yōu)勢(shì)在工程中的得到了成功應(yīng)用。首先,，1500V光伏組件可以減少逆變器的直流線纜用量和匯流箱數(shù)量,，并且能夠使得光伏發(fā)電系統(tǒng)效率提高1.5%~2%；其次,，光伏組件電壓的提升,，可以降低系統(tǒng)的輸出電流，從而能夠降低元件的功率損耗和發(fā)熱,，有利于提升光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率密度,。
與此同時(shí)，1500V光伏逆變器技術(shù)也發(fā)生了變革,，從目前1000V光伏逆變器廣泛采用的兩電平發(fā)展到能夠使得1500V光伏逆變器發(fā)揮出更佳性能的三電平,。為應(yīng)對(duì)1500V三電平逆變器對(duì)功率器件的需求，三菱電機(jī)為此開發(fā)了專用的三電平IGBT模塊,。
三菱電機(jī)新型的三電平IGBT模塊特點(diǎn)：
- 采用三菱電機(jī)第六代IGBT硅片,，可以有效的降低IGBT的功率損耗；
- 最高工作節(jié)溫為175℃,，減小散熱設(shè)計(jì)難度,；
- 優(yōu)化了模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，減小內(nèi)部的引線電感；
- 采用相同的封裝尺寸,，易于模塊在兆瓦級(jí)逆變器中的并聯(lián)應(yīng)用,。
其具體型號(hào)及封裝尺寸如下：
表1??三菱電機(jī)新型三電平IGBT模塊列表
新型三電平IGBT模塊的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如下圖：
圖1? 新型三電平IGBT模塊電路結(jié)構(gòu)
新型三電平IGBT模塊在NPC三電平電路中的應(yīng)用
CM1400HA-24S與RM1400HA-24S針對(duì)于1500V NPC型三電平電路所設(shè)計(jì)，其在電路中的位置以及布局如下圖：
圖2?新型三電平IGBT在NPC三電平電路中的應(yīng)用
新型三電平IGBT模塊在TNPC三電平電路中的應(yīng)用
圖3 ?新型三電平IGBT在TNPC型三電平電路中的應(yīng)用
630kW NPC型三電平
功率組件的電路結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)目標(biāo)
隨著光伏逆變器的功率容量越來越大,，500kW以上的功率等級(jí)逐漸成為主流。此設(shè)計(jì)采用CM1400HA-24S與RM1400HA-24S來搭建630kW?的NPC型逆變器,。結(jié)構(gòu)采用功率單元模塊的設(shè)計(jì)方法,，方便安裝及并聯(lián)擴(kuò)展至兆瓦級(jí)。每個(gè)相單元為一個(gè)功率組件,，包括4只CM1400HA-24S與2只RM1400HA-24S,，以及散熱器、驅(qū)動(dòng)板,，直流母排和支撐電容等器件,。
其功率組件拓?fù)淙缦拢?/p>
圖4 ?630kW? NPC型三電平功率組件電路拓?fù)?/p>
630kW? NPC型三電平功率組件的設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：
- 額定輸出功率：630kW
- 最大輸出視在功率：693kVA
- 額定輸出電壓：540Vrms
- 最大輸出電流：741Arms
- 直流輸入電壓：780~1200V
- 最高輸入電壓：1500V
- 冷卻方式：強(qiáng)迫風(fēng)冷
IGBT模塊的功耗計(jì)算
IGBT的損耗包括導(dǎo)通損耗以及開關(guān)損耗。我們按照實(shí)際工況的100%,、120%以及135%的條件對(duì)IGBT以及Diode的損耗以及溫升進(jìn)行了計(jì)算,，其計(jì)算條件及結(jié)果如下：
計(jì)算條件：
Vdc=1200V，按照SPWM方法,，調(diào)制度M=0.7348,，Io=741A/889A/1000A，Vac=540V,，Tj=150℃,，F(xiàn)c(Hz)=4.95k，PF=1,，F(xiàn)o=50Hz,，Rg:0Ω。
其中ΔT（j-s）為IGBT或Diode芯片與散熱器之間
的溫度差,。
計(jì)算結(jié)果如下表：
表2 ?IGBT的功率損耗及溫升計(jì)算結(jié)果
圖5 ?不同負(fù)載情況下的IGBT及Diode溫升對(duì)比
從計(jì)算結(jié)果看出,，IGBT及Diode的的溫升在不同的負(fù)載情況下均比較理想，結(jié)合實(shí)際情況下的環(huán)境溫度,，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷即可滿足要求,。
IGBT及Diode在散熱器上的布局如下圖，這種布局有利于直流母排的設(shè)計(jì),，同時(shí)也有利于功率模塊的散熱和驅(qū)動(dòng)板的安裝,。
圖6 ?IGBT及Diode在散熱器上的布局圖
?IGBT驅(qū)動(dòng)板的設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中設(shè)置兩塊驅(qū)動(dòng)板，每塊驅(qū)動(dòng)板上包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)器,，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)IGBT,。驅(qū)動(dòng)板與IGBT模塊直接焊接在一起,，驅(qū)動(dòng)板內(nèi)部含帶有有鉗位及短路保護(hù)功能，其部分原理圖及PCB圖如下圖所示,。
圖7 ?驅(qū)動(dòng)板設(shè)計(jì)圖
630kW NPC型三電平功率組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
630kW? NPC型三電平功率組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下圖,，其尺寸為670*531*215.5mm，保證了散熱的同時(shí)還具有很高的功率密度,。
圖8 ?功率單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖
圖9 ?功率單元結(jié)構(gòu)分解示意圖
本文介紹了三菱電機(jī)新型三電平IGBT模塊的技術(shù)特點(diǎn)以及在630kW NPC型三電平中的應(yīng)用實(shí)例,。實(shí)際測(cè)試表明IGBT損耗低，安裝方便,；逆變器的設(shè)計(jì)指標(biāo)均達(dá)到要求,，且具有體積小，功率密度高及易于安裝等優(yōu)點(diǎn),。
