功率模塊的技術突破讓組串式逆變器產生質的飛躍

技術 設計 英飛凌 索比光伏網 2019-07-04

2013年前,在地面電站使用集中式逆變器,分佈式小電站使用組串式逆變器,隨著組串式逆變器功率越做越大,大型地面電站也開始使用組串式逆變器, 有關兩種方案的爭論也一直沒有停過,兩種方案各有優缺點,集中式逆變器優勢中功率器件少,可靠性高,缺點是MPPT數量少,電壓範圍窄;組串式逆變器優勢是MPPT數量多,電壓範圍寬,缺點是功率器件多,可靠性低。

功率開關器件是逆變器最核心的器件之一,承擔電流的轉換工作,長時間工作在高溫,高電壓,大電流狀態,是逆變器最容易出故障的器件,每一個功率器件就是一個故障點。光伏逆變器中的功率開關器件主要是指分立器件功率MOSFET和功率模塊IGBT。早期的中功率組串式逆變器,一般採取分立器件,由於功率MOSFET電流都比較少,一般都採取多個器件並聯的方式。50KW逆變器採用分立器件來設計,需要60多個,這麼多開關器件堆在一起,會產生一系列的問題。如均流,電磁干擾等等。

大家都知道,功率開關管的失效模式是過壓,過溫,過流。分立元器件由於器件多,元器件之間距離比較遠,所以電路雜散電感大,造成工作時尖峰電壓高,元器件容易出現過壓損壞;多個元器件並聯,阻抗不一致,每一個元器件電流就不一樣,阻抗低的元器件電流大,很容易過流;分立器件單端固定,接觸面積小,散熱很難保持一致,很容易過溫。

早期的採用分立元器件的中功率組串式逆變器,在運行過程中出現過多故障,讓人們對中功率組串式逆變器的前程提出了懷疑。不過直到Vincotech和infineon先後推出了包含多個元器件的功率模塊改變了這一現狀。

下面中Vincotech專為中功率組串式逆變器推出的IGBT功率模塊,前級升壓採用雙Boost功率模塊,由2個IGBT和4個二極管組成,包含boost模塊的開關器件和二極管外,還包含跨接二極管。電壓為1200V,電流為50A,一個模塊相當於8個分立器件。模塊具有很高的靈活性。由於把大功率的Boost電路一分為二,它在得到Boost電路的升壓、高效優勢的基礎上,通過選擇雙Boost電路的並聯方式(直接並聯、交錯正向並聯、交錯反向並聯)和佔空比的大小,可以取得理想的雙Boost電路紋波和減少磁性元器件體積。

後級採用高效MNPC三電平IGBT模塊,由4個50-80A的IGBT組成,一個模塊相當於8個分立器件。採用中點鉗位型的T型三電平結構,損耗低效率高,元器件承受的電壓低,壽命長。

相對於MOSFET,IGBT飽和壓降低,容易實現高壓、大電流化,在中大功率逆變器占主導地位。而IGBT模塊比分立的IGBT單管具有更高的可靠性和安全工作區。光伏逆變器前級採用雙BOOST升壓的IGBT功率模塊,後級採用三電平IGBT功率模塊,是目前中功率光伏逆變器最佳的方案。

(1)減少功率器件的個數,50KW採用功率器件來設計只要5個,數量比同規格的集中式逆變器還少,而採用分立器件來設計,前級升壓需要15個,後級三電平逆變需要48個。整體面積縮小30%以上,可以提高整機功率密度。

(2)單個功率模塊的安裝面積比分立元器件散熱面積大,在安裝上也有很多優勢,雙端緊固,一體化專用夾具,相對於分立器件單端固定,接觸面積更大,應力更小,可靠性更好。功率模塊內部集成一個溫度感應器,測量精度高,能更準確地檢測器件結溫,有利於過熱保護。

(3)IGBT和母線電容連接導線會產生雜散電感,在IGBT關斷的過程中,由於電流快速變化,在IGBT上產生電壓尖峰,會造成嚴重的電磁干擾,增大器件電壓應力。寄生電感會隨著電流的增加、連接導線尺寸增大、距離增長而增大。功率模塊結構緊湊,各功率開關器件之間連接線很短,可以減少電路中的雜散電感,提高逆變器的可靠性。

(4)1200V 的IGBT和1200V的SIC二極管相結合,開關頻率更高,可以提高效率,減少電感的容量。

(5)相對於分立器件,功率模塊不足之處是單位面積熱耗大,整體散熱面積小,功率在30KW以上如果採用自然冷卻的方式散熱,在環境溫度高於40度時,會出現過熱保護。但採用強制風冷的方式散熱,就可以完全避免這個問題。

總結:採用功率模塊和母線薄膜電容的組串式逆變器,兼具了集中式逆變器功率器件數量少,薄膜電容壽命長,整體可靠性高的優點,和組串式逆變器MPPT電壓範圍寬路數多、逆變器體積小重量輕搬運安裝方便等優點。因此說功率模塊的出現,在新技術出現之前,可以讓組串式逆變器和集中式逆變器之間的路線之爭暫時告一段落。

古瑞瓦特2016年下半年推出的Growatt 30000TL3-S到Growatt 50000TL3-S中功率系列逆變器,全部採用功率模塊和母線薄膜電容,配置組串檢測,熔絲保護,交直流防雷模塊,防PID模塊和AFCI模塊。經過近半年的應用,得到了客戶的高度評價。

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