基于大功率三電平IGBT模塊并聯(lián)的

參考設(shè)計(jì)

朱鳳杰

賽米控電子（珠海）有限公司北京分公司

賽米控近期完成了基于成熟大功率三電平IGBT模塊并聯(lián)的功率模組參考設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證。本文將詳細(xì)的介紹這款設(shè)計(jì)。

當(dāng)前的可再生能源行業(yè)中，光伏和風(fēng)力發(fā)電均面臨著補(bǔ)貼逐步退坡，平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代即將到來(lái)的挑戰(zhàn)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，光伏逆變器和風(fēng)力變流器廠家研發(fā)的新品單機(jī)功率越來(lái)越高，以取得更低的單位功率成本。市場(chǎng)上1.5MW的集中式光伏逆變器和3MW的風(fēng)電變流器已經(jīng)成為最終用戶(hù)的普遍選擇。隨著單機(jī)大功率的市場(chǎng)趨勢(shì)的日益明確，三電平拓?fù)湟云涓咝剩⒕W(wǎng)友好且可以降低系統(tǒng)成本的特性獲得了主流逆變器及變流器廠家的廣泛青睞。賽米控近期完成了基于成熟大功率三電平IGBT模塊并聯(lián)的功率模組參考設(shè)計(jì)與測(cè)試驗(yàn)證。接下來(lái)就讓我們一起對(duì)這款設(shè)計(jì)進(jìn)行全方位的了解。

1. 適用于大功率應(yīng)用的NPC三電平IGBT模塊

2017年，賽米控發(fā)布了1200V/1200A大功率三電平IGBT模塊。該產(chǎn)品采用開(kāi)創(chuàng)性的A,B管設(shè)計(jì)，將單相NPC橋臂分為上下兩部分封裝到兩個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的SEMITRANS10模塊SKM1200MLI1200TE4/BE4中（圖1）。與早期一些使用三只標(biāo)準(zhǔn)半橋模塊搭建的NPC三電平解決方案相比，ST10 MLI模塊僅需使用2只模塊，成本更低的同時(shí)具有更高的功率密度，通過(guò)內(nèi)部?jī)?yōu)化布局可將長(zhǎng)換流環(huán)路的雜散電感控制在50nH以下。

圖1 ：ST10 MLI拓?fù)浼澳K實(shí)物

由于突出的性?xún)r(jià)比，該模塊目前已成熟應(yīng)用于光伏，儲(chǔ)能等不同領(lǐng)域的眾多項(xiàng)目中。

2. 并聯(lián)方案介紹

對(duì)比大功率模組通過(guò)電抗并聯(lián)方案，IGBT模塊直接并聯(lián)可以進(jìn)一步提升方案的成本優(yōu)勢(shì)，并且節(jié)省功率柜空間，提高變流器功率密度。為了響應(yīng)這一用戶(hù)需求，賽米控德國(guó)總部從不同設(shè)計(jì)部門(mén)抽調(diào)經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師緊密配合，在短時(shí)間內(nèi)完成了大功率三電平功率模塊SKM1200MLI1200TE4/BE4的直接并聯(lián)方案設(shè)計(jì)工作。

圖2：兩組SKM1200MLI1200TE4/BE4并聯(lián)功率模組

如圖2所示，包含十只750uF母排支撐電容，4只三電平IGBT模塊，驅(qū)動(dòng)板（圖中未安裝），交直流母排及風(fēng)冷散熱器的單相功率模組通過(guò)合理布局可在660mm*575mm*210mm的緊湊空間中得以實(shí)現(xiàn)。

并聯(lián)功率模組技術(shù)規(guī)格：

2.1 模塊間距與排布

在多只IGBT模塊共用一片散熱器的應(yīng)用中，由于模塊間熱耦合的關(guān)系，不同的間距會(huì)導(dǎo)致不同的散熱效率。圖3是在每只模塊損耗2KW條件下根據(jù)模塊不同間距進(jìn)行的熱仿真結(jié)果。

圖3：不同模塊間距情況下的熱仿真比較

可以看到，將模塊間距從9mm增加到30mm，散熱器上最高溫度可降低10度。增加間距至40mm則對(duì)散熱器最高溫度無(wú)進(jìn)一步改善。依據(jù)這一仿真結(jié)果，本并聯(lián)方案采用了30mm的模塊間距。

由于一個(gè)NPC橋臂被分別封裝在兩個(gè)不同的模塊中，兩組SKM1200MLI1200TE4/BE4在并聯(lián)時(shí)可以有圖4所示的兩種不同排布方式。

圖4a：BBTT的排布方式

圖4b-1：BTBT塊排布方式

圖4b-2：BTBT的排布方式+交流排開(kāi)口

圖4a中的排布方法，對(duì)于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.3nH；對(duì)于T2和T3的長(zhǎng)換流路徑，雜散電感為24.5nH。

圖4b-1中的排布方法，對(duì)于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.2nH；對(duì)于T2和T3的長(zhǎng)換流路徑，雜散電感為20.1nH。

圖4b-2與4b-1模塊的排布方法一樣，但是交流排在兩組模塊并聯(lián)的中心位置做了開(kāi)口處理，對(duì)于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.2nH；對(duì)于T2和T3的長(zhǎng)換流路徑，雜散電感為20.3nH。

雖然圖4b-2中交流排設(shè)計(jì)導(dǎo)致了長(zhǎng)換流路徑雜散電感增加了0.2nH, 但是此設(shè)計(jì)可以改善并聯(lián)模塊開(kāi)關(guān)過(guò)程的不一致性，所以最終方案采用了此方式。

2.2 驅(qū)動(dòng)方案

SEMITRANS10 MLI并聯(lián)方案使用新開(kāi)發(fā)的適配板搭載兩只成熟的SKYPER 42 LJ驅(qū)動(dòng)核。其中，一只SKYPER 42 LJ驅(qū)動(dòng)T1和T2，另一只SKYPER 42 LJ驅(qū)動(dòng)T3和T4。兩只驅(qū)動(dòng)核將監(jiān)測(cè)所有四個(gè)IGBT的退飽和以及SEMITRANS10 MLI內(nèi)置NTC的反饋溫度。本驅(qū)動(dòng)方案對(duì)所有IGBT均配置了有源鉗位進(jìn)行尖峰電壓保護(hù)，在故障條件下可以不需要遵循普通NPC電路的關(guān)斷時(shí)序。也就是說(shuō)，任何一個(gè)IGBT發(fā)生退飽和將會(huì)被立刻關(guān)斷，其他IGBT也會(huì)被關(guān)聯(lián)的故障信號(hào)即時(shí)關(guān)斷。

SEMITRANS10 MLI模塊內(nèi)置NTC的反饋溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后被分別連接到驅(qū)動(dòng)核T1和T4的故障輸入管腳。如果任何一路內(nèi)置NTC反饋的溫度超過(guò)預(yù)先設(shè)定的保護(hù)值，T1（T4）被立刻關(guān)斷，其他IGBT也會(huì)被關(guān)聯(lián)的故障信號(hào)即時(shí)關(guān)斷。故障信號(hào)從驅(qū)動(dòng)副邊傳遞到原邊用戶(hù)接口。

圖5：驅(qū)動(dòng)適配板+SKYPER 42驅(qū)動(dòng)核

圖6：驅(qū)動(dòng)方案原理框圖

2.3 功率輸出能力

通過(guò)雙脈沖測(cè)試，賽米控測(cè)試了功率模組各個(gè)器件在不同條件下的開(kāi)關(guān)波形，電壓尖峰，均流性能及損耗情況，驗(yàn)證了參考設(shè)計(jì)的可靠性。

如圖7所示，通過(guò)兩套功率模組背靠背運(yùn)行搭建的四象限測(cè)試平臺(tái)，可在變流器實(shí)際工作條件下對(duì)參考設(shè)計(jì)的輸出能力進(jìn)行測(cè)試。

圖7：四象限變流測(cè)試平臺(tái)配置

基本參數(shù)設(shè)置：

直流母線電壓：1200V

交流輸出電壓：600V

輸出頻率：50Hz

結(jié)溫限制：150’C

環(huán)境溫度：55’C

散熱器熱阻Rth(s-a)：0.01K/W

圖8：不同工況下的功率輸出能力

在功率因數(shù)為1，3kHz開(kāi)關(guān)頻率的工況下，逆變器的輸出能力高達(dá)1.7MW。將開(kāi)關(guān)頻率提升至5kHz，輸出功率能力仍然可以達(dá)到1.5MW。可以設(shè)想散熱方式變更為目前大功率變流器廠商已經(jīng)較為通用的水冷，該方案的整體輸出功率能力會(huì)進(jìn)一步提升。

圖9：不同工況下的效率曲線

在3kHz開(kāi)關(guān)頻率條件下，不論功率因數(shù)為1或-1，變流器效率從輕載到滿載的效率均可以達(dá)到98.8%以上，且輕載效率與滿載效率差值最大僅為0.03%，實(shí)現(xiàn)了扁平化的效率曲線。這一點(diǎn)在強(qiáng)調(diào)加權(quán)效率的光伏逆變器應(yīng)用中至關(guān)重要。

3.小結(jié)

賽米控成功開(kāi)發(fā)并測(cè)試驗(yàn)證了基于大功率三電平IGBT模塊并聯(lián)的參考設(shè)計(jì)。為使用SKM1200MLI1200TE4/BE4模塊設(shè)計(jì)大功率逆變器或變流器的客戶(hù)提供了低成本，高功率密度的解決方案。