英飛凌大功率高效光伏逆變器解決方案

由于PrimePACK™功率周次和溫度周次的改進(jìn)，使得光伏逆變器中的IGBT 模塊的壽命足已達(dá)到20 年以上（電池板使用壽命20 年），能很好地配合整個光伏系統(tǒng)的持久安全運行。

4 PrimePACK™在大功率光伏逆變器中的應(yīng)用目前PrimePACKTM 在 100KW 及其以上功率的大功率光伏逆變器中已得到了廣泛應(yīng)用，已成為這個功率等級的光伏逆變器的主流功率器件。

4. 1）PrimePACK™封裝的應(yīng)用

PrimePACK™ 是一款比較大的封裝，根據(jù)電流等級的大小分別設(shè)計了 PrimePACK 和 PrimePACK™ 3 封裝。

對于 1200V/450A IGBT 模塊我們分別采用兩種不同封裝IGBT 模塊來對比(見圖6)，即EconoDUAL3 封裝(銅基板面積 122*62mm )的FF450R12ME4 和 PrimePACK™2封裝(銅基板面積 172*89mm )的FF450R12IE4。

以100kw 光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500V,有效電流 Irms=213A, 開關(guān)頻率fsw=5KHz,開通關(guān)斷門極電阻Rgon/off=2.5/3.1，EconoDUAL3 的散熱器到環(huán)境的熱阻為利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表1所示（都是基于一個IGBT單元的損耗仿真）：

很明顯 PrimePACK™2 由于銅基板面積大，殼到散熱器的熱阻Rthch 是 EconoDUAL3的一半，所以在相同損耗和相同環(huán)境溫度下，PrimePACK™2 的結(jié)溫要低，反過來使得IGBT芯片的飽和壓降和開關(guān)損耗都降低，使總損耗降低，可以發(fā)現(xiàn)使用相同的驅(qū)動電阻FF450R12IE4 要比FF450R12KE4 整機效率提高0.15％。

注：

IGBT conduction loss----IGBT 導(dǎo)通損耗；IGBT switching loss----IGBT 開關(guān)損耗；

Rthjc(per IGBT)----IGBT 芯片結(jié)對殼的熱阻；Diode conduction loss----二極管導(dǎo)通損耗；

Diode switching loss----二極管開關(guān)損耗；Rthjc(per Diode)----二極管芯片結(jié)對殼的熱阻；Rth heatsink(per arm)---- 散熱器對每個IGBT 和二極管單元的的熱阻；Total loss----總損耗； Tj----結(jié)溫

4.2）大電流等級的PrimePACK?在光伏逆變器中的應(yīng)用

光伏逆變器不同于普通逆變器，它追求高效率，因此對 IGBT 要求損耗要小，圖 7 是FF600R12IE4 和 FF900R12IE4 的Vcesat--Ic(飽和壓降－電流) 曲線圖，從圖上可以看出對應(yīng)于 150℃結(jié)溫下 600A 電流，F(xiàn)F900R12IE4 的飽和壓降為 1.6V,FF600R12IE4 的飽和壓降為2.1V, 因此導(dǎo)通損耗相差很大。

以200kw 光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500v,有效電流 Irms=426A, 開關(guān)頻率 fsw=5KHz,開通關(guān)斷門極電阻 Rgon/off=1.8/2.2，利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表2 所示（都是基于一個IGBT 單元的損耗仿真）：

5.PrimePACK™的最新發(fā)展

由于傳統(tǒng) IGBT 和二極管芯片的損耗限制，大功率光伏逆變器的開關(guān)頻率一般不超過5KHz,帶來的問題就是濾波器電感體積大，損耗也大，因此 IGBT 和二極管芯片的開關(guān)損耗成為制約逆變器開關(guān)頻率提高的瓶頸，為了突破這一瓶頸，英飛凌推出了 KS4 的 IGBT 芯片和SiC 二極管芯片組合，并用PrimePACK™2 封裝，型號為FF600R12IS4F。

KS4 芯片是英飛凌最快的IGBT 芯片，關(guān)斷損耗很小，適合高頻應(yīng)用中開關(guān)損耗占大部分損耗的場合，SiC 二極管的反向恢復(fù)損耗為零，只有的很小的寄生電容的反向損耗，因此兩者組合特別適合高頻應(yīng)用，頻率越高，優(yōu)勢越明顯。

我們以FF600R12IE4 和FF600R12IS4F 為例作對比，如表3 所示，F(xiàn)F600R12IS4F 無論IGBT 的開關(guān)損耗還是二極管的反向恢復(fù)損耗都大幅降低。

Eon—開通損耗；Eoff—關(guān)斷損耗；Erec—反向恢復(fù)損耗；Qr—反向恢復(fù)電荷。

還是以 100kw光伏逆變器為例，工作參數(shù)：母線電壓Vdc=500v,有效電流Irms=213A,在不同的開關(guān)頻率利用英飛凌的損耗和熱仿真軟件IPOSIM 得到仿真結(jié)果如表4 所示（都是基于一個IGBT 單元的損耗仿真）：

fsw—開關(guān)頻率；Total Loss—總損耗；Tvj—工作結(jié)溫。

可以看出隨著開關(guān)頻率的增加，F(xiàn)F600R12IS4F 和FF600R12IE4 相比總損耗明顯要低，在20KHz 開關(guān)頻率下，總損耗只有FF600R12IE4 的66％。因此FF600R12IS4F 非常適合高頻光伏逆變器應(yīng)用。

6.總結(jié)

PrimePACK?是英飛凌推出的最新一代大功率IGBT 模塊，它集合了最新的芯片和封裝技術(shù)，在大功率場合很受歡迎。光伏逆變器追求高效率，PrimePACK?的芯片和封裝技術(shù)能大大降低IGBT 總損耗從而提高光伏逆變器效率，因此在大功率光伏逆變器中得到了廣泛應(yīng)用，已成為大功率光伏逆變器的主流功率器件，實踐表明 PrimePACK?是一款非常適合大功率光伏逆變器應(yīng)用的性價比很高的IGBT 模塊。

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