随着光伏技术的不断创新，光伏组件已经从十多年前的600V提升到了目前的1500V，而且在实际工程中得到了应用。1500V光伏系统以其低成本及更高的发电效率受到众多用户的重视，同时也向1500V光伏逆变器提出了更高的要求。对于1500V光伏逆变器，从输出特性以及效率角度考虑，三电平拓扑是很好的选择。本文介绍了一种针对于1500V三电平光伏逆变器而设计的新型IGBT模块，介绍了其特点，并给出了其在630kW NPC型三电平逆变器中的应用实例。
关键词：1500V光伏系统，逆变器，IGBT，630kW NPC型三电平
随着1500V光伏组件的出现，1500V光伏系统凭借其自身的优势在工程中的得到了成功应用。首先，1500V光伏组件可以减少逆变器的直流线缆用量和汇流箱数量，并且能够使得光伏发电系统效率提高1.5%~2%；其次，光伏组件电压的提升，可以降低系统的输出电流，从而能够降低元件的功率损耗和发热，有利于提升光伏发电系统的功率密度。
与此同时，1500V光伏逆变器技术也发生了变革，从目前1000V光伏逆变器广泛采用的两电平发展到能够使得1500V光伏逆变器发挥出更佳性能的三电平。为应对1500V三电平逆变器对功率器件的需求，三菱电机为此开发了专用的三电平IGBT模块。
三菱电机新型的三电平IGBT模块特点：
- 采用三菱电机第六代IGBT硅片，可以有效的降低IGBT的功率损耗；
- 最高工作节温为175℃，减小散热设计难度；
- 优化了模块的内部结构，减小内部的引线电感；
- 采用相同的封装尺寸，易于模块在兆瓦级逆变器中的并联应用。
其具体型号及封装尺寸如下：
表1 三菱电机新型三电平IGBT模块列表
新型三电平IGBT模块的内部电路结构如下图：
图1 新型三电平IGBT模块电路结构
新型三电平IGBT模块在NPC三电平电路中的应用
CM1400HA-24S与RM1400HA-24S针对于1500V NPC型三电平电路所设计，其在电路中的位置以及布局如下图：
图2 新型三电平IGBT在NPC三电平电路中的应用
新型三电平IGBT模块在TNPC三电平电路中的应用
图3 新型三电平IGBT在TNPC型三电平电路中的应用
630kW NPC型三电平
功率组件的电路结构及设计目标
随着光伏逆变器的功率容量越来越大，500kW以上的功率等级逐渐成为主流。此设计采用CM1400HA-24S与RM1400HA-24S来搭建630kW 的NPC型逆变器。结构采用功率单元模块的设计方法，方便安装及并联扩展至兆瓦级。每个相单元为一个功率组件，包括4只CM1400HA-24S与2只RM1400HA-24S，以及散热器、驱动板，直流母排和支撑电容等器件。
其功率组件拓扑如下：
图4 630kW NPC型三电平功率组件电路拓扑
630kW NPC型三电平功率组件的设计目标如下：
- 额定输出功率：630kW
- 最大输出视在功率：693kVA
- 额定输出电压：540Vrms
- 最大输出电流：741Arms
- 直流输入电压：780~1200V
- 最高输入电压：1500V
- 冷却方式：强迫风冷
IGBT模块的功耗计算
IGBT的损耗包括导通损耗以及开关损耗。我们按照实际工况的100%、120%以及135%的条件对IGBT以及Diode的损耗以及温升进行了计算，其计算条件及结果如下：
计算条件：
Vdc=1200V，按照SPWM方法，调制度M=0.7348，Io=741A/889A/1000A，Vac=540V，Tj=150℃，Fc(Hz)=4.95k，PF=1，Fo=50Hz，Rg:0Ω。
其中ΔT（j-s）为IGBT或Diode芯片与散热器之间
的温度差。
计算结果如下表：
表2 IGBT的功率损耗及温升计算结果
图5 不同负载情况下的IGBT及Diode温升对比
从计算结果看出，IGBT及Diode的的温升在不同的负载情况下均比较理想，结合实际情况下的环境温度，采用强迫风冷即可满足要求。
IGBT及Diode在散热器上的布局如下图，这种布局有利于直流母排的设计，同时也有利于功率模块的散热和驱动板的安装。
图6 IGBT及Diode在散热器上的布局图
IGBT驱动板的设计
本设计中设置两块驱动板，每块驱动板上包含一个驱动器，每个驱动器可驱动两个IGBT。驱动板与IGBT模块直接焊接在一起，驱动板内部含带有有钳位及短路保护功能，其部分原理图及PCB图如下图所示。
图7 驱动板设计图
630kW NPC型三电平功率组件的结构设计
630kW NPC型三电平功率组件的结构设计如下图，其尺寸为670*531*215.5mm，保证了散热的同时还具有很高的功率密度。
图8 功率单元结构设计图
图9 功率单元结构分解示意图
本文介绍了三菱电机新型三电平IGBT模块的技术特点以及在630kW NPC型三电平中的应用实例。实际测试表明IGBT损耗低，安装方便；逆变器的设计指标均达到要求，且具有体积小，功率密度高及易于安装等优点。
