基于大功率三电平IGBT模块并联的参考设计

 

基于大功率三电平IGBT模块并联的

参考设计

朱凤杰 

赛米控电子（珠海）有限公司北京分公司

赛米控近期完成了基于成熟大功率三电平IGBT模块并联的功率模组参考设计与测试验证。本文将详细的介绍这款设计。

当前的可再生能源行业中，光伏和风力发电均面临着补贴逐步退坡，平价上网时代即将到来的挑战。为应对这一挑战，光伏逆变器和风力变流器厂家研发的新品单机功率越来越高，以取得更低的单位功率成本。市场上1.5MW的集中式光伏逆变器和3MW的风电变流器已经成为最终用户的普遍选择。随着单机大功率的市场趋势的日益明确，三电平拓扑以其高效率，并网友好且可以降低系统成本的特性获得了主流逆变器及变流器厂家的广泛青睐。赛米控近期完成了基于成熟大功率三电平IGBT模块并联的功率模组参考设计与测试验证。接下来就让我们一起对这款设计进行全方位的了解。

1. 适用于大功率应用的NPC三电平IGBT模块

2017年，赛米控发布了1200V/1200A大功率三电平IGBT模块。该产品采用开创性的A,B管设计，将单相NPC桥臂分为上下两部分封装到两个行业标准的SEMITRANS10模块SKM1200MLI1200TE4/BE4中（图1）。与早期一些使用三只标准半桥模块搭建的NPC三电平解决方案相比，ST10 MLI模块仅需使用2只模块，成本更低的同时具有更高的功率密度，通过内部优化布局可将长换流环路的杂散电感控制在50nH以下。

图1 ：ST10 MLI拓扑及模块实物

由于突出的性价比，该模块目前已成熟应用于光伏，储能等不同领域的众多项目中。

2. 并联方案介绍

对比大功率模组通过电抗并联方案，IGBT模块直接并联可以进一步提升方案的成本优势，并且节省功率柜空间，提高变流器功率密度。为了响应这一用户需求，赛米控德国总部从不同设计部门抽调经验丰富的工程师紧密配合，在短时间内完成了大功率三电平功率模块SKM1200MLI1200TE4/BE4的直接并联方案设计工作。

图2：两组SKM1200MLI1200TE4/BE4并联功率模组  

如图2所示，包含十只750uF母排支撑电容，4只三电平IGBT模块，驱动板（图中未安装），交直流母排及风冷散热器的单相功率模组通过合理布局可在660mm*575mm*210mm的紧凑空间中得以实现。

并联功率模组技术规格：

2.1 模块间距与排布

在多只IGBT模块共用一片散热器的应用中，由于模块间热耦合的关系，不同的间距会导致不同的散热效率。图3是在每只模块损耗2KW条件下根据模块不同间距进行的热仿真结果。

图3：不同模块间距情况下的热仿真比较

可以看到，将模块间距从9mm增加到30mm，散热器上最高温度可降低10度。增加间距至40mm则对散热器最高温度无进一步改善。依据这一仿真结果，本并联方案采用了30mm的模块间距。

由于一个NPC桥臂被分别封装在两个不同的模块中，两组SKM1200MLI1200TE4/BE4在并联时可以有图4所示的两种不同排布方式。

图4a：BBTT的排布方式      

图4b-1：BTBT块排布方式

图4b-2：BTBT的排布方式+交流排开口

图4a中的排布方法，对于T1和T4的短换流路径，杂散电感为5.3nH；对于T2和T3的长换流路径，杂散电感为24.5nH。

图4b-1中的排布方法，对于T1和T4的短换流路径，杂散电感为5.2nH；对于T2和T3的长换流路径，杂散电感为20.1nH。

图4b-2与4b-1模块的排布方法一样，但是交流排在两组模块并联的中心位置做了开口处理，对于T1和T4的短换流路径，杂散电感为5.2nH；对于T2和T3的长换流路径，杂散电感为20.3nH。

虽然图4b-2中交流排设计导致了长换流路径杂散电感增加了0.2nH, 但是此设计可以改善并联模块开关过程的不一致性，所以最终方案采用了此方式。

2.2 驱动方案

SEMITRANS10 MLI并联方案使用新开发的适配板搭载两只成熟的SKYPER 42 LJ驱动核。其中，一只SKYPER 42 LJ驱动T1和T2，另一只SKYPER 42 LJ驱动T3和T4。两只驱动核将监测所有四个IGBT的退饱和以及SEMITRANS10 MLI内置NTC的反馈温度。本驱动方案对所有IGBT均配置了有源钳位进行尖峰电压保护，在故障条件下可以不需要遵循普通NPC电路的关断时序。也就是说，任何一个IGBT发生退饱和将会被立刻关断，其他IGBT也会被关联的故障信号即时关断。

SEMITRANS10 MLI模块内置NTC的反馈温度信号经过处理后被分别连接到驱动核T1和T4的故障输入管脚。如果任何一路内置NTC反馈的温度超过预先设定的保护值，T1（T4）被立刻关断，其他IGBT也会被关联的故障信号即时关断。故障信号从驱动副边传递到原边用户接口。

图5：驱动适配板+SKYPER 42驱动核

图6：驱动方案原理框图

2.3   功率输出能力

通过双脉冲测试，赛米控测试了功率模组各个器件在不同条件下的开关波形，电压尖峰，均流性能及损耗情况，验证了参考设计的可靠性。

如图7所示，通过两套功率模组背靠背运行搭建的四象限测试平台，可在变流器实际工作条件下对参考设计的输出能力进行测试。

图7：四象限变流测试平台配置

基本参数设置：

直流母线电压：1200V

交流输出电压：600V

输出频率：50Hz

结温限制：150’C

环境温度：55’C

散热器热阻Rth(s-a)：0.01K/W

图8：不同工况下的功率输出能力

在功率因数为1，3kHz开关频率的工况下，逆变器的输出能力高达1.7MW。将开关频率提升至5kHz，输出功率能力仍然可以达到1.5MW。可以设想散热方式变更为目前大功率变流器厂商已经较为通用的水冷，该方案的整体输出功率能力会进一步提升。

图9：不同工况下的效率曲线

在3kHz开关频率条件下，不论功率因数为1或-1，变流器效率从轻载到满载的效率均可以达到98.8%以上，且轻载效率与满载效率差值最大仅为0.03%，实现了扁平化的效率曲线。这一点在强调加权效率的光伏逆变器应用中至关重要。

3. 小结

赛米控成功开发并测试验证了基于大功率三电平IGBT模块并联的参考设计。为使用SKM1200MLI1200TE4/BE4模块设计大功率逆变器或变流器的客户提供了低成本，高功率密度的解决方案。