基于大功率三電平IGBT模塊并聯的

參考設計

朱鳳杰

賽米控電子（珠海）有限公司北京分公司

賽米控近期完成了基于成熟大功率三電平IGBT模塊并聯的功率模組參考設計與測試驗證。本文將詳細的介紹這款設計。

當前的可再生能源行業中，光伏和風力發電均面臨著補貼逐步退坡，平價上網時代即將到來的挑戰。為應對這一挑戰，光伏逆變器和風力變流器廠家研發的新品單機功率越來越高，以取得更低的單位功率成本。市場上1.5MW的集中式光伏逆變器和3MW的風電變流器已經成為最終用戶的普遍選擇。隨著單機大功率的市場趨勢的日益明確，三電平拓撲以其高效率，并網友好且可以降低系統成本的特性獲得了主流逆變器及變流器廠家的廣泛青睞。賽米控近期完成了基于成熟大功率三電平IGBT模塊并聯的功率模組參考設計與測試驗證。接下來就讓我們一起對這款設計進行全方位的了解。

1. 適用于大功率應用的NPC三電平IGBT模塊

2017年，賽米控發布了1200V/1200A大功率三電平IGBT模塊。該產品采用開創性的A,B管設計，將單相NPC橋臂分為上下兩部分封裝到兩個行業標準的SEMITRANS10模塊SKM1200MLI1200TE4/BE4中（圖1）。與早期一些使用三只標準半橋模塊搭建的NPC三電平解決方案相比，ST10 MLI模塊僅需使用2只模塊，成本更低的同時具有更高的功率密度，通過內部優化布局可將長換流環路的雜散電感控制在50nH以下。

圖1 ：ST10 MLI拓撲及模塊實物

由于突出的性價比，該模塊目前已成熟應用于光伏，儲能等不同領域的眾多項目中。

2. 并聯方案介紹

對比大功率模組通過電抗并聯方案，IGBT模塊直接并聯可以進一步提升方案的成本優勢，并且節省功率柜空間，提高變流器功率密度。為了響應這一用戶需求，賽米控德國總部從不同設計部門抽調經驗豐富的工程師緊密配合，在短時間內完成了大功率三電平功率模塊SKM1200MLI1200TE4/BE4的直接并聯方案設計工作。

圖2：兩組SKM1200MLI1200TE4/BE4并聯功率模組

如圖2所示，包含十只750uF母排支撐電容，4只三電平IGBT模塊，驅動板（圖中未安裝），交直流母排及風冷散熱器的單相功率模組通過合理布局可在660mm*575mm*210mm的緊湊空間中得以實現。

并聯功率模組技術規格：

2.1 模塊間距與排布

在多只IGBT模塊共用一片散熱器的應用中，由于模塊間熱耦合的關系，不同的間距會導致不同的散熱效率。圖3是在每只模塊損耗2KW條件下根據模塊不同間距進行的熱仿真結果。

圖3：不同模塊間距情況下的熱仿真比較

可以看到，將模塊間距從9mm增加到30mm，散熱器上最高溫度可降低10度。增加間距至40mm則對散熱器最高溫度無進一步改善。依據這一仿真結果，本并聯方案采用了30mm的模塊間距。

由于一個NPC橋臂被分別封裝在兩個不同的模塊中，兩組SKM1200MLI1200TE4/BE4在并聯時可以有圖4所示的兩種不同排布方式。

圖4a：BBTT的排布方式

圖4b-1：BTBT塊排布方式

圖4b-2：BTBT的排布方式+交流排開口

圖4a中的排布方法，對于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.3nH；對于T2和T3的長換流路徑，雜散電感為24.5nH。

圖4b-1中的排布方法，對于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.2nH；對于T2和T3的長換流路徑，雜散電感為20.1nH。

圖4b-2與4b-1模塊的排布方法一樣，但是交流排在兩組模塊并聯的中心位置做了開口處理，對于T1和T4的短換流路徑，雜散電感為5.2nH；對于T2和T3的長換流路徑，雜散電感為20.3nH。

雖然圖4b-2中交流排設計導致了長換流路徑雜散電感增加了0.2nH, 但是此設計可以改善并聯模塊開關過程的不一致性，所以最終方案采用了此方式。

2.2 驅動方案

SEMITRANS10 MLI并聯方案使用新開發的適配板搭載兩只成熟的SKYPER 42 LJ驅動核。其中，一只SKYPER 42 LJ驅動T1和T2，另一只SKYPER 42 LJ驅動T3和T4。兩只驅動核將監測所有四個IGBT的退飽和以及SEMITRANS10 MLI內置NTC的反饋溫度。本驅動方案對所有IGBT均配置了有源鉗位進行尖峰電壓保護，在故障條件下可以不需要遵循普通NPC電路的關斷時序。也就是說，任何一個IGBT發生退飽和將會被立刻關斷，其他IGBT也會被關聯的故障信號即時關斷。

SEMITRANS10 MLI模塊內置NTC的反饋溫度信號經過處理后被分別連接到驅動核T1和T4的故障輸入管腳。如果任何一路內置NTC反饋的溫度超過預先設定的保護值，T1（T4）被立刻關斷，其他IGBT也會被關聯的故障信號即時關斷。故障信號從驅動副邊傳遞到原邊用戶接口。

圖5：驅動適配板+SKYPER 42驅動核

圖6：驅動方案原理框圖

2.3 功率輸出能力

通過雙脈沖測試，賽米控測試了功率模組各個器件在不同條件下的開關波形，電壓尖峰，均流性能及損耗情況，驗證了參考設計的可靠性。

如圖7所示，通過兩套功率模組背靠背運行搭建的四象限測試平臺，可在變流器實際工作條件下對參考設計的輸出能力進行測試。

圖7：四象限變流測試平臺配置

基本參數設置：

直流母線電壓：1200V

交流輸出電壓：600V

輸出頻率：50Hz

結溫限制：150’C

環境溫度：55’C

散熱器熱阻Rth(s-a)：0.01K/W

圖8：不同工況下的功率輸出能力

在功率因數為1，3kHz開關頻率的工況下，逆變器的輸出能力高達1.7MW。將開關頻率提升至5kHz，輸出功率能力仍然可以達到1.5MW。可以設想散熱方式變更為目前大功率變流器廠商已經較為通用的水冷，該方案的整體輸出功率能力會進一步提升。

圖9：不同工況下的效率曲線

在3kHz開關頻率條件下，不論功率因數為1或-1，變流器效率從輕載到滿載的效率均可以達到98.8%以上，且輕載效率與滿載效率差值最大僅為0.03%，實現了扁平化的效率曲線。這一點在強調加權效率的光伏逆變器應用中至關重要。

3.小結

賽米控成功開發并測試驗證了基于大功率三電平IGBT模塊并聯的參考設計。為使用SKM1200MLI1200TE4/BE4模塊設計大功率逆變器或變流器的客戶提供了低成本，高功率密度的解決方案。