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用于可再生能源变换器的2000V等级IGBT概念

发布日期:2021-01-23 浏览次数:1496 来源:三菱电机半导体
 1、简 介

额定电压1500Vdc的光伏逆变器早在市场上获得大范围应用,但降低成本的压力越来越高,以致节省资本支出方面的竞争日趋激烈。在可再生能源市场增长的带动下,人们对电池储能系统(BESS)的期望越来越高,以实现更加可持续的分布式电源网络。在该市场中,也已开始在现场安装额定电压1500Vdc的逆变器。此外,关于提升风电变流器输出电压的讨论越来越多,通常其输出电压的典型值是690Vac或更低,但更高的输出电压(如900Vac)可在相同的输出电流下实现更高的输出功率。在降低系统成本的大趋势下,这种高额定风电变流器已受到很多关注。

2、系统要求

2.1 直流工作电压

1500Vdc的电平来自低压指令(LVD)的要求。符合规定的逆变器额定值必须低于1500Vdc (或1000Vac)[2]。因此,最高的VCC可以认为是1500V。实际上,由于面板的输出特性,即使面板额定电压为1500Vdc,也很少能看到光伏逆变器工作在1500Vdc下。在运行开始时(例如早晨时间),光伏逆变器可能会在1500V的直流母线电压下进行小电流开关动作。在MPPT控制的大电流进行开关动作通常发生在900-1300V之间。当然,如果安装的光伏面板出现超配时,就必须考虑高达1400V的连续电压。同样在可再生能源份额较高的电网中,馈入光伏电站的能量可能被限制,因为这将导致直流工作电压升高。BESS的硬件设计往往与光伏逆变器的设计相同。但是,由于锂离子电池和PV面板的输出特性不同,因此其工作电压范围会比光伏电池板高。另一方面,风电变流器也很容易在1500Vdc时出现较大输出电流的情况。风力发电机的输出功率随着输出电压的升高而增大。因此,如果考虑使用900Vac系统,则应考虑Vcc在1400V左右时的操作。即使在690Vac系统中,当需要满足电网规范对高压穿越(HVRT)的严格要求时,仍可能发生这种高Vcc工作[3]。因此,必须在Vcc=1500V的条件下确保完整的SOA。而且,还应考虑由于较高的直流母线电压引起的LTDS故障率的增加[1]
2.2 1500Vdc运行的方案
在1500Vdc光伏逆变器或BESS中,通常采用具有1200V甚至950V器件的NPC(I型三电平)拓扑[4]。它的LTDS故障率被认为足够低[5],但是器件数量是两电平拓扑的三倍,因此系统成本——包括其控制复杂性和较高的杂散电感,也并不低。在某些情况下,1700V器件也会被用于1500Vdc系统,尽管其对LTDS和电压尖峰的鲁棒性低于NPC。在此,一个更高额定电压的器件的想法,例如2000V,将保持两电平拓扑结构优势,并可以保持可靠的开关性能、更低的控制复杂度和足够的LTDS的鲁棒性。尽管如此,在设计性能和可靠性之间的权衡上,应在现实程度上去很好地适应市场需求。通过选择更高电压等级的器件(例如2500V)可达到零LTDS故障,但是功率损耗会增加高、逆变器效率会降低。

3. 性能评估


考虑到前面提到的系统要求,制造了额定电压为2000V的更高电压等级的IGBT和二极管,并对其特性进行了测试。

3.1 LTDS

半导体器件的LTDS取决于所施加的电压、温度和海拔高度[5]。除了这些参数外,从根本上来说,器件技术例如结构参数也影响其鲁棒性。该2000V器件将基于第7代IGBT和二极管技术进行设计,并且针对每个目标应用设计足够的LTDS。N-漂移区的厚度和电阻率是决定阻断电压能力和LTDS[6]的关键参数。我们第七代IGBT具有独特的载流子存储沟槽栅双极型晶体管(CSTBTTM)结构,可通过优化载流子密度实现低导通损耗。第七代二极管的阴极表面具有RFC结构,通过利用空穴注入效应[7]改善了功率损耗与阶跃行为之间的权衡。这些独特的技术有效地补偿了因厚度或电阻率增加而带来的功率损耗的增加。

图1给出了用人工中子束进行加速LTDS测试的结果,将额定电压为1700V的现有器件与更高耐压器件进行了比较。通过增加晶圆的电阻率来降低电场强度,从而可以将LTDS选择性地设计在某一程度上。在图1中,带有渐变色的线(2)表示固定厚度晶圆在不同电阻率下的LTDS。这些线仅表示基于实际测试结果的经过统计处理的数据,因此线的形状并不能准确表现因宇宙射线诱发失效的物理理论。尽管较高的电阻率可改善LTDS,但应通过考虑其他基本性能(例如安全的开关性能、功率损耗等)来谨慎地选择电阻率(以及厚度)的最终设计。



 

图1 不同调整后器件的LTDS测试结果

 
3.2 安全的开关运行

2000V器件在Vcc=1500V情况下维持安全运行的典型开关行为得到了确认。测试样品选自图1所示的器件,具有一定的晶圆厚度和电阻率,可以满足目标应用的LTDS要求。被测IGBT模块的额定电流为400A。在图2中,两倍额定电流和Vcc=1500V的情况下IGBT安全和干净关断得到了确认。图3显示了RBSOA测试波形。在Vcc=1500V的条件下,IGBT在RBSOA的最外侧(两倍额定电流和2000V额定阻断电压的方形区域内)安全关闭。


 

图2  Vcc=1500V,Ic=2倍额定电流下IGBT关断波形




图3  Tvj=150℃时的RBSOA测试波形

二极管的阶跃行为如图4所示。在Vcc=1500V、小电流情况下,未发现快速的反向恢复行为。对于最终产品设计,必须谨慎考虑内部并联的器件和杂散电感效应。



图4 Vcc=1500V,Tvj=25℃时小电流(0A,10A,20A)情况下反向恢复波形
3.3 功耗表现

将器件的额定电压提高至2000V,功率损耗(导通和开关)必然会增加,这是其本身特性使然。受益于CSTBTTM和RFC结构,在保持足够的LTDS性能的同时,总功耗增加在可控范围内。最关键的因素是特别要避免开关损耗的增加。因为除了目标应用中相对较高的开关频率(1~ 3kHz)外,增加工作电压Vcc本身就是IGBT和二极管开关损耗增大的关键因素。在2000V器件的设计中,这些关键因素得到了充分地考虑。将其与现有的1700V器件以及其它“1500Vdc参与者”进行了比较,以考察2000V器件在功率损耗性能方面的优势。关于比较对象的选择中,一个是采用1200V器件的3电平NPC(I型)拓扑;另一个是采用作为比1700V更高电压等级的3300V器件的两电平拓扑。尽管3.3kV器件是针对要求更高直流母线电压的牵引应用进行了优化的。比较是在相同输出功率/安装面积的条件下进行的。1700V器件的输出功率是设定在690Vac系统下的,其它器件为900Vac系统下的。与输出电压成反比关系,因此用于900Vac系统的输出电流较小。假定安装面积和热阻为相同的封装尺寸和技术。假设1200V、1700V和2000V模块的额定电流为1200A,而3300V模块则由于相对较大的芯片面积被认为是较小额定电流的。在采用1200V器件的3电平-NPC中,假定使用三个额定电流为1200A的双管IGBT模块;因此输出功率条件增加了三倍,以使安装面积/输出功率比保持相同。(见表1)

表 1:功率损耗性能比较的条件


 

2000V器件的性能在0.5 kHz至3kHz范围内可与现有1700V设备相媲美(图5(a))。该结果表明,由于输出电压的增加,可以通过降低输出电流来很好地补偿增加的功率损耗(导通和开关)。由此可以得到显著的系统益处(例如,降低电缆中的欧姆损耗,减少并网变压器的绕组等),同时保持对电网的相同功率输出。900Vac的其它解决方案也具有相同的优点,但输出功率较小。1500V的运行对3300V的器件技术显然具有充足的裕量。采用1200V器件的三电平NPC在较低的开关频率下,其性能受到输出级高导通损耗的限制;因此,通常在较高的开关频率下,其性能才会最大化,但是在这种应用条件下,输入级的开关损耗会再次限制性能。逆变器效率是另一个关键方面。2000V器件在目标开关频率附近(约2.4kHz)有着与其它器件相似的良好的效率表现(见图5(b))。



 

图5  IGBT芯片的结温和变换器效率的仿真结果

另外,我们还做了固定开关频率为2.5kHz时的输出功率性能比较(见图6)。对于2000V和1700V器件,可实现的安装面积/输出功率比是非常相似的。但是,考虑到减小输出电流带来的好处,2000V器件的性能更好。如表2所示。



 

图6  IGBT芯片温度VS输出功率/安装面积 @Fc=2.5kHz
表2 相关性能对比

4、结 论


额定电压为2000V的新款IGBT模块可以满足可再生能源应用对变流器设计提出的新要求。采用这个模块,不仅可以提升变流器的直流工作电压Vcc或系统的交流电压(从690Vac900Vac),还可以通过优化功率损耗性能、LTDS可靠性和变流器系统成本,进一步拓展两电平变流器的设计边界。

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