大功率光伏電站是未來清潔能源的重要組成部分，其功率等級也隨著用電需求的增加越來越大。本文利用最新的IGBT7大功率PrimePACK™模塊，開發(fā)了適用于目前1500VDC光伏系統(tǒng)的解決方案，具有業(yè)界最高的功率密度。
01三電平在光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用
光伏逆變器注重效率的要求，因此三電平電路在這個應(yīng)用中光伏采用。而1500VDC光伏系統(tǒng)需要功率半導(dǎo)體器件滿足低宇宙射線失效率，因此用1200V耐壓等級的模塊去拼接NPC1型三電平已經(jīng)成為目前大功率光伏逆變器最常見的解決方案[1][2]。
這種NPC1的方案也存在一些問題。如在系統(tǒng)需要無功功率運(yùn)行狀態(tài)下（PF<1）,負(fù)載電流需要通過長回路進(jìn)行換流（如圖1），這時的環(huán)路電感甚至可以>100nH，從而引發(fā)關(guān)斷電壓尖峰等問題。如果為解決這個問題而使用較大的門極電阻，又會造成開關(guān)損耗增加，效率降低的問題。
圖1. NPC1三電平拓?fù)涞拈L換流路徑
在1000VDC光伏系統(tǒng)的時代，NPC2拓?fù)湓粡V泛采用。這種拓?fù)浔萅PC1省去了兩個鉗位二極管，控制也相對簡單且同樣有較高的效率。但是由于該拓?fù)渲械膬蓚€豎管需要承受整個母線電壓，所以需要解決高壓下宇宙射線失效率的問題，這也是NPC2三電平結(jié)構(gòu)沒有從1000VDC系統(tǒng)直接過渡到1500VDC系統(tǒng)的最主要原因。
02光伏逆變器的大功率IGBT7模塊靈活解決
本文提出的解決方案基于兩種PrimePACK™ IGBT模塊，半橋模塊采用2300V電壓等級的TRENCHSTOP™ IGBT7模塊，橫管采用共集電極的1200V電壓等級模塊，同樣采用基于微溝槽柵（MPT）的TRENCHSTOP™ IGBT7技術(shù)。如圖2所示。
圖2. 基于IGBT7模塊的解決方案
采用這兩種模塊的方案考慮到了1500VDC下的宇宙射線失效問題，并且可以做到目前業(yè)界最高的功率密度。半橋模塊從上一代模塊（FF1800R17IP5）1700V的電壓等級增加到2300V，但是額定電流保持1800A不變；橫管模塊跟同樣電壓等級的上一代模塊（FF1800R12IE5）相比，電流提升了33%，從1800A增加到2400A。
這兩種最新的功率模塊可以在光伏系統(tǒng)中采用不同的組合形式來實現(xiàn)不同功率等級的輸出：只采用半橋模塊的2L兩電平拓?fù)洌灰粋€半橋模塊加一個橫管組成的NPC2拓?fù)洌▓D2）；兩個半橋模塊并聯(lián)（2*1800A）加一個橫管組合的NPC2拓?fù)洹?/p>
03光伏逆變器系統(tǒng)低雜感設(shè)計
如何減小回路電感是逆變器系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵問題。為此本文的方案從功率器件到系統(tǒng)母排設(shè)計都做了考慮。
對于橫管共集電極模塊的設(shè)計，在一個封裝中的雙向開關(guān)器件實現(xiàn)了很低的雜感設(shè)計。如下圖3所示，模塊中成對母排中電流方向相反，從而最大限度降低模塊中的雜散電感。模塊的主功率端子采用正負(fù)交替排列的方式，四對母排的設(shè)計也同時兼顧了電流輸出能力。
圖3. 共集電極PrimePACK™模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
系統(tǒng)直流母排和交流母排的設(shè)計會影響整個功率單元的電氣、機(jī)械和熱特性。為了降低雜散電感，通常采用疊層母排。但是疊層母排如果超過三層，其重量和成本也會明顯增加，為此在本文的解決方案中，直流側(cè)采用三層疊層母排，把交流母排組合在一起的時候做了一個避免交疊的設(shè)計，避免四層疊層的出現(xiàn)。如下圖4所示。
圖4. 功率單元疊層母排設(shè)計圖
04電氣特性實驗驗證
為了驗證本文方案的輸出特性，我們在實驗室搭建了一個功率單元。采用了前文所述的兩個2300V的半橋模塊并聯(lián)加上一個1200V橫管的3模塊方案，采用上一小結(jié)設(shè)計的疊層母排。
首先測試的是模塊的動態(tài)特性，雙脈沖實驗。母線電壓為正負(fù)650V（光伏逆變器全功率輸出最常用的電壓），負(fù)載電流2400A（橫管的額定電流）。下圖顯示了在室溫下T1管（半橋模塊上管）的開通和關(guān)斷波形。半橋的2300V IGBT芯片設(shè)計為高壓的快速芯片，可以通過調(diào)整門極電阻來調(diào)整開關(guān)的軟度。在本文的測試中，T1管的半橋模塊的換流是通過1200V的共集電極橫管模塊來實現(xiàn)的，關(guān)斷過電壓為190V。
圖5. 半橋模塊開通和關(guān)斷波形
本文方案采用兩個半橋模塊并聯(lián)的方案，所以兩個模塊的均流特性也需要試驗驗證其均流特性。下圖是兩個半橋模塊上管的開通和關(guān)斷電流波形，可以看出兩個并聯(lián)模塊的均流差異小于3%。
圖6. 并聯(lián)半橋模塊在開通關(guān)斷時的均流波形
1200V橫管的測試條件與半橋模塊一樣，下圖為橫管的開關(guān)波形。測試電壓和電流與之前測試一致。橫管的關(guān)斷過電壓為180V。
圖7. 橫管開通和關(guān)斷波形
由于篇幅有限，更多測試波形如反向恢復(fù)，小電流正當(dāng)測試等在這里不一列舉。
05最大輸出功率的熱評估
為了評估本文方案的功率輸出能力，熱測試是必須的環(huán)節(jié)。首先，基于光伏集中式逆變器現(xiàn)場工況用IPOSIM對模塊進(jìn)行損耗的仿真。得出系統(tǒng)在不同輸出功率時，每個模塊的損耗數(shù)值。然后對預(yù)埋熱電偶的IGBT模塊通入恒定的電流，半橋模塊通入直流電流，共集電極模塊通入交流電流。由于模塊在電流經(jīng)過時，芯片都會有一定的壓降，所以可以通過流過模塊的電流大小來控制每個模塊的發(fā)熱量。根據(jù)之前模塊的仿真結(jié)果，逐漸加大電流，使模塊的損耗逐漸增加，同時通過熱電偶來觀測模塊芯片溫度的升高情況，在模塊芯片溫度達(dá)到所允許的最高結(jié)溫時，記錄下此時模塊的損耗。對照之前損耗仿真，就可以得出該方案所組成的逆變器最大輸出功率。根據(jù)最終的測試結(jié)果可以看到，該方案的最大輸出功率可以達(dá)到2MW。
06總結(jié)
本文基于最新一代IGBT7技術(shù)的PrimePACK™模塊，提出了一種適用于1500V光伏逆變器的解決方案。2.3kV的半橋模塊和1.2kV的共集電極模塊組成了NPC2拓?fù)?，控制簡單且可靠性更高。為了實現(xiàn)最大的單元輸出功率，兩個半橋模塊并聯(lián)加一個橫管的方案被采用，雙脈沖實驗證明了良好的電氣特性，熱測試證明該功率單元可以最大輸出2MW功率。
參考文獻(xiàn)
[1] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Yong Yang, Jia Zhao , “1500V solar inverter at megawatts level in NPC1 topology enabled by high-density IGBT module”, Tencon 2016
[2] Xin Hao, Kwok-wai Ma, Jia Zhao , Xinyu Sun, “Design of NPC1 power stack beyond megawatt for 1500V solar inverter application”, ECCE Asia 2017
