320kW組串式光伏逆變器的IGBT模塊解決方案研究

孫敦虎，馬嗣超，陳立烽

(1.英飛凌科技資源中心(上海)有限公司，上海 201210； 2.英飛凌科技股份有限公司，瓦爾斯泰因 59597)

0 引言

在發(fā)電成本不斷降低的大趨勢(shì)下，光伏發(fā)電作為新能源發(fā)電的最重要組成部分，其持續(xù)的降本增效是技術(shù)趨勢(shì)。光伏逆變器在光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，近年來(lái)保持著不斷的技術(shù)革新。從2019年全球第1 臺(tái)可應(yīng)用于1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)的225 kW 組串式光伏逆變器發(fā)布，僅2年的時(shí)間，全球最大的組串式逆變器功率問(wèn)世，達(dá)320 kW。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊作為光伏逆變器的核心器件，其技術(shù)的進(jìn)步和革新極大程度助力了逆變器功率持續(xù)提升。為應(yīng)對(duì)高功率密度的技術(shù)趨勢(shì)，本文針對(duì)320 kW 組串式光伏逆變器，提出了基于全新的EasyPACK 4B 封裝技術(shù)的IGBT 模塊方案，并通過(guò)理論闡述和仿真試驗(yàn)，對(duì)該方案進(jìn)行驗(yàn)證。

1 320 kW 組串式光伏逆變器IGBT 模塊

典型的光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，圖中：IDC為光伏組件的輸出電流。光伏逆變器的主要功能是將光伏組件波動(dòng)的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c電網(wǎng)電壓同相位同頻率的交流電。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同，可將組串式光伏逆變器的功率單元分為升壓?jiǎn)卧?DC/DC)和逆變單元(DC/AC)。升壓?jiǎn)卧糜趯?shí)現(xiàn)光伏組件的最大功率點(diǎn)跟蹤(MPPT)。根據(jù)光伏組件的連接方式及逆變器的功率等級(jí)不同，升壓?jiǎn)卧? 路MPPT 或多路MPPT。逆變單元用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為工頻的并網(wǎng)電壓，最后通過(guò)隔離變壓器并入電網(wǎng)[1]。多路MPPT 通過(guò)并聯(lián)可以滿足任何需求的功率，最終決定逆變器功率等級(jí)的是逆變器的功率模塊的輸出能力，而本文介紹的功率模塊正是具有此用途的模塊，即IGBT 模塊。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of PV power generation system

組串式光伏逆變器的逆變單元一般采用定制化的功率模塊方案，即由不同芯片構(gòu)成的開(kāi)關(guān)器件通過(guò)模塊內(nèi)部的銅箔及鍵合線連接成特定的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。針對(duì)1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)，基于三電平，目前較為常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有中點(diǎn)鉗位1 (NPC1)、中點(diǎn)鉗位2(NPC2)和有源中點(diǎn)鉗位 (ANPC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)用組串式光伏逆變器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示[2-3]。

圖2 1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)用組串式光伏逆變器的主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2-3]Fig.2 Main topology structure of string PV inverter for 1500 V PV power generation system[2-3]

此外，隨著對(duì)體積和功率密度的要求逐步提高，組串式光伏逆變器的功率模塊需要工作在更高的開(kāi)關(guān)頻率下。由于高頻器件的開(kāi)關(guān)速度較快，因此，器件在關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電壓ΔV也就會(huì)越大。這會(huì)給逆變器功率模塊的設(shè)計(jì)帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。器件在關(guān)斷過(guò)程中的過(guò)電壓可表示為：

式中：L為換流回路的雜散電感；為關(guān)斷時(shí)電流的變化率，其中，i為電流，t為時(shí)間。

根據(jù)式(1)可知，降低換流回路的雜散電感是個(gè)很好的抑制關(guān)斷過(guò)程中過(guò)電壓的方法。以EasyPACK 技術(shù)封裝的模塊，所有端子出針都盡可能靠近芯片引出，封裝內(nèi)部的雜散電感較低。在封裝外部，印刷電路板(PCB)可以根據(jù)疊層母排原理的布局方式來(lái)抑制雜散電感[4]。此外，EasyPACK 封裝出針靈活，特別適合較為復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。因此，EasyPACK 封裝非常適用于組串式光伏逆變器[5-6]。本文中320 kW 組串式光伏逆變器的功率模塊采用的就是EasyPACK 4B封裝技術(shù)，內(nèi)部包括3個(gè)直接銅鍵合基板(DCB)，相較于EasyPACK 3B 封裝可增加約50%的功率。

2 模塊拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇和芯片的配置

基于950 V 芯片的ANPC 和NPC1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被認(rèn)為是1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)用光伏逆變器的主流拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。NPC1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)器件數(shù)量較少，控制簡(jiǎn)單，使用方便。而ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)雖然器件數(shù)量較多，但調(diào)制策略和換流路徑靈活，損耗分布均勻[7]。由于跨DCB 換流會(huì)帶來(lái)很大的雜散電感，對(duì)于包含多個(gè)DCB 的模塊封裝技術(shù)，換流回路的設(shè)計(jì)十分關(guān)鍵。在不同調(diào)制方式下ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的換流路徑，從而給予了模塊換流回路設(shè)計(jì)更多的自由度。綜上所述，320 kW 組串式光伏逆變器的逆變電路推薦采用ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其示意圖如圖3所示。圖中：T1、T4為ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)外部的IGBT，T2、T3為ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)部的IGBT，T5、T6為ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的鉗位管，D1～D6是與T1～T6對(duì)應(yīng)的反并聯(lián)二極管。

圖3 ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of ANPC topology structure

ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為一種在1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)用光伏逆變器上廣泛使用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以基于不同的芯片特性預(yù)定義最適合的調(diào)制方式；或者可以基于不同的調(diào)制方式，選擇最匹配的芯片組合[8]。T1～T6的PWM 策略示意圖如圖4所示。

圖4 T1～T6 的PWM 策略示意圖Fig.4 Schematic diagram of PWM strategy for T1～T6

IGBT 芯片的選擇極為關(guān)鍵，會(huì)直接影響逆變器的效率及功率密度，因此是模塊定制時(shí)的主要工作之一。母線電壓600 V、IGBT 結(jié)溫150 ℃的測(cè)試條件下幾款典型芯片的折衷特性點(diǎn)如圖5所示。IGBT 的飽和壓降代表導(dǎo)通損耗。理論上來(lái)說(shuō)，代表芯片特性的點(diǎn)越靠近坐標(biāo)軸原點(diǎn)，說(shuō)明芯片的特性越優(yōu)良，損耗也越接近理想開(kāi)關(guān)。

圖5 600 V、150 ℃測(cè)試條件下幾款典型芯片的折衷特性點(diǎn)Fig.5 Compromise characteristics of several typical chips under 600 V and 150 ℃ test conditions

從圖5可以看出：IGBT 采用950V S7 和950V L7 芯片時(shí)的特性明顯優(yōu)于其采用1200V H3 和1200V T4 芯片時(shí)的特性；并且相對(duì)于950V L7 芯片，IGBT 采用950V S7 芯片時(shí)的關(guān)斷損耗更低，但采用950V L7 芯片時(shí)的導(dǎo)通損耗更低。因此，950V S7 芯片適用于高頻工況，950V L7適用于低頻工況[9]。

從圖5可以看出，IGBT 采用950V S7 和950V L7 芯片時(shí)的特性明顯優(yōu)于采用1200V H3和1200V T4 芯片時(shí)的特性；并且相對(duì)于950V L7 芯片，IGBT 采用950V S7 芯片時(shí)的關(guān)斷損耗更低，但采用950V L7 芯片時(shí)的導(dǎo)通損耗更低。因此，950V S7 芯片適用于高頻工況，950V L7適用于低頻工況[9]。

320 kW 組串式光伏逆變器中IGBT 模塊可選用芯片的規(guī)格與類型如表1所示。

表1 320 kW 組串式光伏逆變器中IGBT 模塊可選用芯片的規(guī)格與類型Table 1 Specifications and types of chips available for IGBT modules in 320 kW string PV inverter

基于圖3中的ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和芯片特性，推薦采用“四快兩慢”的調(diào)制方式，即T1、T4、T5、T6高頻動(dòng)作，T2、T3工頻動(dòng)作。為使逆變器達(dá)到最優(yōu)效率，在晶圓選擇上T1、T4、T5、T6處采用了高頻特性好的950V S7 芯片，T2、T3處采用了低頻特性好的950V L7 芯片。最重要的是，D5、D6處采用SiC 肖特基二極管，因?yàn)榇朔N二極管幾乎無(wú)反向恢復(fù)電流，可以極大降低T1、T4開(kāi)通時(shí)的過(guò)電流，從而降低IGBT 導(dǎo)通損耗。

I GBT 開(kāi)通時(shí)，其與SiC 肖特基二極管和Si二極管換流時(shí)形成的集電極發(fā)射極電壓Vce-t曲線、集電極電流Ic-t曲線示意圖如圖6所示。圖中：淺藍(lán)色和深藍(lán)色曲線分別代表IGBT 與SiC肖特基二極管換流后形成的Vce-t、Ic-t曲線，淺灰色和深灰色曲線分別代表IGBT 與Si 二極管換流后形成的Vce-t、Ic-t曲線，Qrr為IGBT 與Si 二極管換流時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)電荷，Qc為IGBT 與SiC 換流時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)電荷。

圖6 IGBT 開(kāi)通時(shí)，其與SiC 肖特基二極管和Si 二極管換流時(shí)形成的Vce-t 曲線、Ic-t 曲線示意圖Fig.6 When IGBT is turned on，Vce-t curve and Ic-t curve formed when it is commutating with SiC schottky diode and Si diode

從圖6可以看出：IGBT 與SiC 肖特基二極管換流時(shí)產(chǎn)生的反向恢復(fù)電荷較小，這說(shuō)明IGBT 與SiC 肖特基二極管換流時(shí)產(chǎn)生的導(dǎo)通損耗更低。對(duì)于光伏逆變器而言，T1、T4是損耗最大的器件，同時(shí)也是決定逆變器功率等級(jí)的邊界條件。因此，SiC 肖特基二極管的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)逆變器更大的單機(jī)功率。另外，SiC 肖特基二極管本身幾乎沒(méi)有反向恢復(fù)損耗，可以進(jìn)一步提高逆變器的整機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率。綜上所述，SiC 肖特基二極管的使用既增加了逆變器的功率密度，又提高了逆變器的能量轉(zhuǎn)換效率。

3 2 種封裝技術(shù)的方案對(duì)比

本文對(duì)EasyPACK 3B 和EasyPACK 4B 這2 種封裝技術(shù)方案進(jìn)行對(duì)比。一般來(lái)說(shuō)，EasyPACK 3B 封裝技術(shù)僅可以使逆變器實(shí)現(xiàn)225 kW 的輸出功率，該功率也是2019年之前組串式光伏逆變器的最大額定功率。為了實(shí)現(xiàn)320 kW 這一目前行業(yè)內(nèi)最大的功率，采用2個(gè)EasyPACK 3B 模塊拼接成一個(gè)逆變橋臂是個(gè)可行的方案。在模塊設(shè)計(jì)時(shí)，芯片的布局及換流回路的選擇很關(guān)鍵，一個(gè)重要的原則是盡量避免跨DCB 換流。因?yàn)橥ㄟ^(guò)鍵合線進(jìn)行跨DCB 換流，會(huì)導(dǎo)致雜散電感的大幅增加。過(guò)大的雜散電感會(huì)導(dǎo)致器件過(guò)壓損壞并會(huì)增加開(kāi)關(guān)損耗，從而使模塊的性能大幅降低[10]。

3.1 EasyPACK 3B 雙拼封裝方案

根據(jù)輸出電壓和輸出電流的相位，將光伏逆變器的所有工況分為4個(gè)工作象限，為了實(shí)現(xiàn)DCB 內(nèi)部換流，將ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)拆分在4個(gè)DCB 上，ANPC 拓?fù)涓髌骷幪?hào)和各端口命名，以及每個(gè)DCB 上芯片的分布及換流路徑如圖7所示?；凇八目靸陕钡恼{(diào)制方式，在第一象限(輸出電壓和輸出電流均為正向)時(shí)，輸出正電平時(shí)輸出電流路徑如圖7b中深灰色箭頭所示，而輸出零電平時(shí)電流路徑如圖7b 中的淺灰色箭頭所示，因此，換流發(fā)生在T1與D5之間。在第四象限(輸出電壓為正，輸出電流為負(fù))，此時(shí)是在D1和T5之間換流。在第二、三象限時(shí)，換流始終發(fā)生在T4與D6、T6與D4之間。由此可知，得益于ANPC 靈活的調(diào)制方式，無(wú)論何種工作模式，該功率模塊都可以實(shí)現(xiàn)DCB 內(nèi)部換流[10-11]。

圖7 ANPC 拓?fù)涓髌骷幪?hào)和各端口命名，以及EasyPACK 3B 雙拼方案下的芯片布局與換流路徑Fig.7 Numbering of components and naming of ports in ANPC topology，as well as chip layout and commutation path under EasyPACK 3B double combination scheme

采用EasyPACK 3B 雙拼方案時(shí)，光伏逆變器4個(gè)工作象限的輸出電壓與輸出電流曲線如圖8所示。

圖8 采用EasyPACK 3B 雙拼方案時(shí)，光伏逆變器4個(gè)工作象限的輸出電壓與輸出電流曲線Fig.8 When EasyPACK 3B double combination scheme is adopted，output voltage and output current curves of four working quadrants of PV inverter

為了實(shí)現(xiàn)DCB 內(nèi)部換流，光伏逆變器設(shè)計(jì)時(shí)需將參與換流的芯片都放在同一個(gè)DCB 中，但這會(huì)導(dǎo)致2個(gè)DCB 的有效面積被完全占用，并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)通過(guò)增加芯片而增加輸出功率的效果。與此同時(shí)，另外2個(gè)DCB 的利用率卻很低。這就存在一個(gè)矛盾：利用率高的DCB 限制了最大輸出功率，利用率低的DCB 即便放入更多芯片也無(wú)法增加輸出功率。此外，拼接方案在應(yīng)用上也比較困難。采用EasyPACK 3B 封裝雙拼方案的光伏逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，該方案逆變器采用了6個(gè)IGBT 模塊，PCB 布局和結(jié)構(gòu)散熱設(shè)計(jì)的難度都會(huì)很大。

圖9 采用EasyPACK 3B 封裝雙拼方案的光伏逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.9 Internal structure of PV inverter with EasyPACK 3B double combination scheme

3.2 EasyPACK 4B 封裝方案

光伏逆變器最理想的封裝方案是單個(gè)功率模塊采用整個(gè)ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而單個(gè)模塊就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)逆變橋臂。這種方案下逆變側(cè)僅需要3個(gè)IGBT 模塊，如圖10所示。該方案使用模塊的數(shù)量?jī)H僅是EasyPACK 3B 雙拼方案的一半，既可以有效降低物料成本和生產(chǎn)成本，還可以減輕重量和提高功率密度。

圖10 采用EasyPACK 4B 封裝方案的光伏逆變器內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.10 Internal structure of PV inverter with EasyPACK 4B packaging scheme

EasyPACK 4B 封裝方案很好地解決了1個(gè)EasyPACK 3B 不足，2個(gè)EasyPACK 3B 利用率不高并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜的問(wèn)題。在采用EasyPACK 4B 封裝方案時(shí)，ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中芯片和二極管在3個(gè)DCB 的布局及換流路徑如圖11所示。圖中，虛線部分為換流路徑。

圖11 EasyPACK 4B 封裝方案下ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中芯片和二極管在3個(gè)DCB 的布局及換流路徑Fig.11 Layout and commutation path of chips and diodes in three DCBs in ANPC topology structure under EasyPACK 4B packaging scheme

從圖11可以看出：T1、T5、D1、D5在左側(cè)的DCB，T4、T6、D4、D6在右側(cè)的DCB，T2、T3、D2、D3在中間的DCB；在逆變器運(yùn)行的各個(gè)工況下，換流都是在同一個(gè)DCB 內(nèi)進(jìn)行。

4 EasyPACK 4B 封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EasyPACK 4B 封裝成品圖如圖12所示，EasyPACK 4B 延承了EasyPACK 封裝出針靈活、內(nèi)部雜散電感小的優(yōu)勢(shì)。

圖12 EasyPACK 4B 封裝成品圖Fig.12 Photo of EasyPACK 4B packaging finished product

EasyPACK 4B 封裝成品的結(jié)構(gòu)如圖13所示，可以看出該封裝成品主要包括3個(gè)獨(dú)立的DCB、一體化的內(nèi)部框架、外殼這3 部分。

圖13 EasyPACK 4B 封裝成品的結(jié)構(gòu)Fig.13 Structure of EasyPACK 4B packaging finished product

EasyPACK 4B 封裝成品的外殼與內(nèi)部框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖14所示。該封裝成品的內(nèi)部框架通過(guò)巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了安裝壓力可以均勻地釋放在3個(gè)DCB 上。并且，外殼上的弓補(bǔ)償器可以保證DCB 很好地被壓在散熱器上。最后，外殼材料的彈簧效應(yīng)可以保證安裝后模塊和散熱器之間達(dá)到預(yù)定義的壓力值。綜上所述，EasyPACK 4B 封裝技術(shù)可以極大程度降低芯片到散熱器的熱阻，從而盡可能提高IGBT 模塊的輸出功率。

圖14 EasyPACK 4B 封裝成品的外殼與內(nèi)部框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.14 Structural design of shell and internal frame of EasyPACK 4B packaging finished products

5 IGBT 損耗和效率仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證采用ANPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的IGBT 模塊的效率和輸出功率，根據(jù)模塊的雙脈沖測(cè)試數(shù)據(jù)，基于PLECS 仿真軟件搭建了模塊內(nèi)部所有器件的損耗模型和熱阻模型；并在仿真軟件中基于空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)方式對(duì)模塊的損耗和芯片結(jié)溫進(jìn)行仿真。仿真條件是1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)典型的應(yīng)用工況，該工況下參數(shù)的取值如表2所示。

表2 1500 V 光伏發(fā)電系統(tǒng)典型的應(yīng)用工況下IGBT 模塊參數(shù)的取值Table 2 Parameter value of IGBT module under typical application conditions of 1500 V PV power generation system

在額定功率為320 kW 和過(guò)載功率為352 kW這2 種情況下，對(duì)功率因數(shù)FP分別取0.8 和1.0時(shí)IGBT 模塊中不同器件的損耗進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同工況下IGBT 模塊中不同器件的損耗Fig.15 Loss of different components in IGBT module under different working conditions

從圖15可以看出：在功率因數(shù)為1 時(shí)，T1的損耗最大，因此，T1的最高工作結(jié)溫決定著逆變器的最大功率。與此同時(shí)，功率因數(shù)為0.8 是總損耗最大的工況，因此，功率因數(shù)為0.8 是逆變器整機(jī)散熱能力的設(shè)計(jì)邊界。

除了損耗外，IGBT 模塊的效率及最大運(yùn)行結(jié)溫也是重要的考核因素。4個(gè)工況下的IGBT模塊效率對(duì)比及溫度最高芯片的運(yùn)行結(jié)溫Tvj_op仿真結(jié)果如圖16所示，仿真是基于固定散熱器溫度85 ℃。

從圖16可以看到：4個(gè)工況下IGBT 模塊的效率都在99%以上。值得一提的是，該效率僅是常規(guī)的SVPWM 下的效率，如果采用斷續(xù)脈寬調(diào)制 (DPWM)，效率可以進(jìn)一步提高[12]；4個(gè)工況下，IGBT 模塊溫度最高芯片的運(yùn)行結(jié)溫均不高于該模塊芯片允許的最高運(yùn)行結(jié)溫150℃；并且在IGBT 模塊額定功率下，運(yùn)行結(jié)溫還有一定的安全余量。同理，如果可以采用損耗更低的DPWM 調(diào)制方式，運(yùn)行結(jié)溫可以進(jìn)一步降低。

圖16 4個(gè)工況下的IGBT 模塊效率對(duì)比及溫度最高芯片的運(yùn)行結(jié)溫仿真結(jié)果Fig.16 Comparison of IGBT module efficiency and simulation results of operating junction temperature of chip with the highest temperature under four working conditions

6 結(jié)論

本文介紹了一種可應(yīng)用于320 kW 組串式光伏逆變器的IGBT 模塊方案，從芯片配置、封裝結(jié)構(gòu)、損耗和效率角度對(duì)該模塊詳細(xì)介紹，并對(duì)EasyPACK 4B 封裝方案和EasyPACK 3B 雙拼封裝方案進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明：EasyPACK 4B封裝方案在逆變器功率密度、IGBT 效率及散熱上具有優(yōu)勢(shì)，這主要得益于第7 代950V IGBT7和SiC 肖特基二極管的優(yōu)良特性，該IGBT 模塊的效率可以達(dá)到99%以上，同時(shí)得益于新的封裝技術(shù)——EasyPACK 4B 的使用，該模塊方案將逆變器單機(jī)功率推進(jìn)到新的高度。