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隨著光伏技術的不斷創(chuàng)新，光伏組件已經(jīng)從十多年前的600V提升到了目前的1500V，而且在實際工程中得到了應用。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，同時也向1500V光伏逆變器提出了更高的要求。對于1500V光伏逆變器，從輸出特性以及效率角度考慮，三電平拓撲是很好的選擇。本文介紹了一種針對于1500V三電平光伏逆變器而設計的新型IGBT模塊，介紹了其特點，并給出了其在630kW NPC型三電平逆變器中的應用實例。

關鍵詞：1500V光伏系統(tǒng)，逆變器，IGBT，630kW NPC型三電平

1．引言

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)勢在工程中的得到了成功應用。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，1500V光伏逆變器技術也發(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。為應對1500V三電平逆變器對功率器件的需求，三菱電機為此開發(fā)了專用的三電平IGBT模塊。

2．三電平用IGBT模塊

三菱電機新型的三電平IGBT模塊特點：

• 采用三菱電機第六代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℃，減小散熱設計難度；
• 優(yōu)化了模塊的內部結構，減小內部的引線電感；
• 采用相同的封裝尺寸，易于模塊在兆瓦級逆變器中的并聯(lián)應用。

其具體型號及封裝尺寸如下：

表1??三菱電機新型三電平IGBT模塊列表

新型三電平IGBT模塊的內部電路結構如下圖：

圖1? 新型三電平IGBT模塊電路結構

2.1

新型三電平IGBT模塊在NPC三電平電路中的應用

CM1400HA-24S與RM1400HA-24S針對于1500V NPC型三電平電路所設計，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三電平電路中的應用

2.2

新型三電平IGBT模塊在TNPC三電平電路中的應用

CM1000HA-34S與CM500C2Y-24S針對于1500V TNPC三電平電路所設計，其在電路中的位置以及布局如下圖：

圖3 ?新型三電平IGBT在TNPC型三電平電路中的應用

 

3．新型三電平IGBT模塊在630kW NPC型三電平中的應用實例

3.1

630kW NPC型三電平

功率組件的電路結構及設計目標

隨著光伏逆變器的功率容量越來越大，500kW以上的功率等級逐漸成為主流。此設計采用CM1400HA-24S與RM1400HA-24S來搭建630kW?的NPC型逆變器。結構采用功率單元模塊的設計方法，方便安裝及并聯(lián)擴展至兆瓦級。每個相單元為一個功率組件，包括4只CM1400HA-24S與2只RM1400HA-24S，以及散熱器、驅動板，直流母排和支撐電容等器件。

其功率組件拓撲如下：

圖4 ?630kW? NPC型三電平功率組件電路拓撲

630kW? NPC型三電平功率組件的設計目標如下：

• 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：強迫風冷

3.2

IGBT模塊的功耗計算

IGBT的損耗包括導通損耗以及開關損耗。我們按照實際工況的100%、120%以及135%的條件對IGBT以及Diode的損耗以及溫升進行了計算，其計算條件及結果如下：

計算條件：

Vdc=1200V，按照SPWM方法，調制度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。

計算結果如下表：

表2 ?IGBT的功率損耗及溫升計算結果

圖5 ?不同負載情況下的IGBT及Diode溫升對比

從計算結果看出，IGBT及Diode的的溫升在不同的負載情況下均比較理想，結合實際情況下的環(huán)境溫度，采用強迫風冷即可滿足要求。

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計，同時也有利于功率模塊的散熱和驅動板的安裝。

圖6 ?IGBT及Diode在散熱器上的布局圖

3.3

?IGBT驅動板的設計

本設計中設置兩塊驅動板，每塊驅動板上包含一個驅動器，每個驅動器可驅動兩個IGBT。驅動板與IGBT模塊直接焊接在一起，驅動板內部含帶有有鉗位及短路保護功能，其部分原理圖及PCB圖如下圖所示。

圖7 ?驅動板設計圖

3.4

630kW NPC型三電平功率組件的結構設計

630kW? NPC型三電平功率組件的結構設計如下圖，其尺寸為670*531*215.5mm，保證了散熱的同時還具有很高的功率密度。

圖8 ?功率單元結構設計圖

圖9 ?功率單元結構分解示意圖

4．結論

本文介紹了三菱電機新型三電平IGBT模塊的技術特點以及在630kW NPC型三電平中的應用實例。實際測試表明IGBT損耗低，安裝方便；逆變器的設計指標均達到要求，且具有體積小，功率密度高及易于安裝等優(yōu)點。