英飞凌大功率高效光伏逆变器解决方案

摘要：太阳能作为取之不尽用之不竭的新能源正广泛受到人们的关注。近几年大功率光伏电站大量建设，大功率光伏逆变器也得到了快速发展。由于大功率光伏逆变器以IGBT 模块为功率器件的拓扑比较单一，选好IGBT 模块对于提高系统效率和稳定性显得尤为重要，本文介绍了 PrimePACK™ （英飞凌最新一代大功率IGBT  模块）的优点及其在大功率光伏逆变器中的应用。

1 引言

随着用电量的逐年攀升以及减少温室气体排放的呼声越来越高，新能源产业正以前所未有的速度发展，其中太阳能由于获取方便的特点正越来越受到人们的广泛关注。但是太阳能电池板占地面积比较大，如果需要大功率并网发电只有依靠大功率光伏电站的建设，近几年好多国家都大量建设了大功率光伏电站，作为其核心组成部分的大功率光伏逆变器也得到了快速发展。IGBT 模块由于其自身的可控，电压等级高，电流密度大，开关频率高等特点已成为大功率光伏逆变器的主流功率器件。目前电池板产生的直流电如何高效率地并入电网成为人们研究的重点，效率是评价光伏逆变器的最重要指标之一，而大功率光伏逆变器拓扑几乎都为三相全桥，提高效率主要靠降低 IGBT 模块的损耗来实现，IGBT 模块对于提高逆变器效率显得尤为重要。PrimePACK™ 作为英飞凌公司最新一代大功率  IGBT 模块目前已功率应用场合得到了普遍应用。

2 大功率光伏逆变器工作原理

太阳能电池板方阵产生的直流电通过正弦波脉宽调制光伏逆变器向电网输送满足电网规定指标的电能，逆变器馈送给电网的电力由光伏方阵功率和当时当地的日照条件决定。逆变器除了具有将太阳能电池板产生的直流电转化成特定电压和频率的交流电基本功能外，还必须具有MPPT(最大功率跟踪)功能，能够对电网的干扰进行可靠监测，并在电网出现故障时断开与电网的连接。
  
大功率光伏逆变器大多为并网型，电路拓扑基本为三相全桥，图 1 是大功率并网型光伏逆变器的典型拓扑（IGBT模块作为全桥逆变的功率器件）。从该拓扑可以看出整个逆变器损耗主要来自于IGBT 模块和变压器，因此如何选择IGBT 模块来提高逆变器效率成为一个研究热点。



3 PrimePACK™介绍

PrimePACK™是英飞凌最新一代的IGBT 模块，目前已广泛应用于风能，太阳能等大功率高端场合，它具有寄生电感小，热阻低等优点，并且装配了第四代IGBT 芯片和反并联二
极管，整个模块的温度周次和功率周次都大幅提高。

3.1 低寄生电感设计

如图2 所示，PrimePACK™模块内部正负母线采用叠层母排设计，寄生电感相对较低，半桥结构的 PrimePACKTM2 和 PrimePACKTM3  的寄生电感典型值分别为 18nH 和 10nH,  与之相对应的原先的IHM 模块整个半桥的寄生电感将达到45nH,   PrimePACK™的寄生电感相比降低了50%多。

太阳能电池板的空载电压比较高，有时达到 900V, 几乎达到 1200V 模块所能应用的母线电压极限。除了母排寄生电感要求设计的比较小以外，对IGBT 模块内部寄生电感要求比较高，因此 PrimePACK™是非常适合光伏逆变器设计的。另外由于 PrimePACK™的寄生电感比较低，可以把PrimePACK™驱动得更快些，从而降低开关损耗提高逆变器效率。



3.2低Rthch  （壳到散热器热阻）设计

如图3 所示对应于内部DCB 衬底，PrimePACK™2 和PrimePACK™3 分别用了 10 个和14 个螺丝来固定铜基板和散热器，一方面可以更好地适应 PrimePACK™细长的封装，另一方面可以使每一个衬底上的IGBT 芯片获得几乎对称的散热条件，因此Rthch 得以大幅降低。



结果非常明显:PrimePACK™2  的铜基板面积是 153cm ,模块的 Rthch  典型值是 4K/kw,对应于半桥结构的IHM 模块铜基板面积为 182cm ，但是模块的Rthch 典型值是6K/kw,可以看出PrimePACK™2 用较小的铜基板面积获得了更小的Rthch,  非常有益于散热。

3.3 IGBT4 和  Emcon4

3.3.1) IGBT4

PrimePACK™ 由于是一种新封装，它里面装的芯片都是最新的第四代IGBT 芯片IGBT4，都是基于沟槽栅场终止技术开发的IGBT 芯片。它的最大的优点就是饱和压降很低，比较适
合大功率场合应用来提高系统效率。根据应用场合不同，分别在 PrimePACK™中放入了第四代的E4 芯片和P4 芯片。

E4 芯片是主要针对中功率应用，对芯片的软特性和开关损耗做了折中处理，在保证比较小的关断损耗的情况下，得到比较好的软特性。P4 芯片主要是针大功率应用优化的，芯片的关断特性很软，但是相应的关断损耗也随之增加，比较适合大电流场合。

3.3.2) Emcon4

所有 PrimePACK™中 IGBT 的反并联二极管都是最新一代的 Emcon4，而且根据所配IGBT 芯片的不同，二极管也会进行优化。 Emcon4 主要是使其反向恢复更软，这样使得IGBT开通特性变得更软，降低了EMI,这样就允许在相同软度的情况下用较小的开通电阻来更快地开通IGBT 从而使开通损耗降低。

3.4 功率周次和温度周次得到明显提高

PrimePACK™对IGBT 芯片的镀层进行了优化，连接线的参数和连接工艺得到大幅改进，因此功率周次明显提高。从图4 可以看出，在工作结温 125 度下，PrimePACK™的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的4 倍，如果PrimePACK™的工作结温提高到150 度，PrimePACK™的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的2 倍。



PrimePACK™为了获得更高的温度周次做了很多改进：利用增强型 作为衬底来减小铜基板和衬底之间的热膨胀系数；在铜基板和衬底之间加了支架使得铜基板和衬底之间的焊接更加均匀；功率端子和衬底之间运用超声波焊接工艺。所有这些使得PrimePACK™的温度周次和 IHM  相比明显提高（如图 5  所示），虽然它的温度周次没有达到牵引级标准（AlSiC 加AlN 衬底，价格很贵），但是毫无疑问PrimePACK™性价比最好。



由于PrimePACK™功率周次和温度周次的改进，使得光伏逆变器中的IGBT 模块的寿命足已达到20 年以上（电池板使用寿命20 年），能很好地配合整个光伏系统的持久安全运行。
4 PrimePACK™在大功率光伏逆变器中的应用目前PrimePACKTM 在 100KW 及其以上功率的大功率光伏逆变器中已得到了广泛应用，已成为这个功率等级的光伏逆变器的主流功率器件。



4. 1）PrimePACK™封装的应用

PrimePACK™ 是一款比较大的封装，根据电流等级的大小分别设计了 PrimePACK 和 PrimePACK™ 3 封装。

对于 1200V/450A IGBT 模块我们分别采用两种不同封装IGBT 模块来对比(见图6)，即EconoDUAL3 封装(铜基板面积 122*62mm )的FF450R12ME4 和 PrimePACK™2封装(铜基板面积 172*89mm )的FF450R12IE4。


以100kw 光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500V,有效电流  Irms=213A, 开关频率fsw=5KHz,开通关断门极电阻Rgon/off=2.5Ω/3.1Ω，EconoDUAL3 的散热器到环境的热阻为利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表1所示（都是基于一个IGBT单元的损耗仿真）：

很明显 PrimePACK™2     由于铜基板面积大，壳到散热器的热阻Rthch  是 EconoDUAL3的一半，所以在相同损耗和相同环境温度下，PrimePACK™2 的结温要低，反过来使得IGBT芯片的饱和压降和开关损耗都降低，使总损耗降低，可以发现使用相同的驱动电阻FF450R12IE4 要比FF450R12KE4 整机效率提高0.15％。



注：
IGBT conduction loss----IGBT 导通损耗；IGBT switching loss----IGBT 开关损耗；
Rthjc(per IGBT)----IGBT 芯片结对壳的热阻；Diode conduction loss----二极管导通损耗；
Diode switching loss----二极管开关损耗；Rthjc(per Diode)----二极管芯片结对壳的热阻；Rth heatsink(per arm)---- 散热器对每个IGBT 和二极管单元的的热阻；Total loss----总损耗；  Tj----结温

4.2）大电流等级的PrimePACK™在光伏逆变器中的应用
      
光伏逆变器不同于普通逆变器，它追求高效率，因此对 IGBT  要求损耗要小，图 7 是FF600R12IE4 和 FF900R12IE4  的Vcesat--Ic(饱和压降－电流) 曲线图，从图上可以看出对应于 150℃结温下 600A  电流，FF900R12IE4  的饱和压降为 1.6V,FF600R12IE4 的饱和压降为2.1V,  因此导通损耗相差很大。



以200kw 光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500v,有效电流  Irms=426A, 开关频率 fsw=5KHz,开通关断门极电阻 Rgon/off=1.8Ω/2.2Ω，利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表2 所示（都是基于一个IGBT 单元的损耗仿真）：



5.PrimePACK™的最新发展

由于传统 IGBT 和二极管芯片的损耗限制，大功率光伏逆变器的开关频率一般不超过5KHz,带来的问题就是滤波器电感体积大，损耗也大，因此 IGBT 和二极管芯片的开关损耗成为制约逆变器开关频率提高的瓶颈，为了突破这一瓶颈，英飞凌推出了 KS4  的 IGBT 芯片和SiC 二极管芯片组合，并用PrimePACK™2 封装，型号为FF600R12IS4F。
   
KS4 芯片是英飞凌最快的IGBT 芯片，关断损耗很小，适合高频应用中开关损耗占大部分损耗的场合，SiC 二极管的反向恢复损耗为零，只有的很小的寄生电容的反向损耗，因此
两者组合特别适合高频应用，频率越高，优势越明显。
   
我们以FF600R12IE4 和FF600R12IS4F 为例作对比，如表3 所示，FF600R12IS4F 无论IGBT 的开关损耗还是二极管的反向恢复损耗都大幅降低。   

Eon—开通损耗；Eoff—关断损耗；Erec—反向恢复损耗；Qr—反向恢复电荷。



还是以 100kw光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500v,有效电流Irms=213A,在不同的开关频率利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表4 所示（都是基于一个IGBT 单元的损耗仿真）：



fsw—开关频率；Total Loss—总损耗；Tvj—工作结温。

可以看出随着开关频率的增加，FF600R12IS4F 和FF600R12IE4 相比总损耗明显要低，在20KHz 开关频率下，总损耗只有FF600R12IE4 的66％。因此FF600R12IS4F 非常适合高频光伏逆变器应用。

6.总结

PrimePACK™是英飞凌推出的最新一代大功率IGBT 模块，它集合了最新的芯片和封装技术，在大功率场合很受欢迎。光伏逆变器追求高效率，PrimePACK™的芯片和封装技术能大大降低IGBT 总损耗从而提高光伏逆变器效率，因此在大功率光伏逆变器中得到了广泛应用，已成为大功率光伏逆变器的主流功率器件，实践表明 PrimePACK™是一款非常适合大功率光伏逆变器应用的性价比很高的IGBT 模块。