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中小功率光伏逆变器用功率模块的发展及应用

2019-07-20 10:53编辑:admin人气:


1 引言

  在新能源技术兴起的近几年,应用于可再生能源的并网发电技术在电力电子领域成为研究的热点课题。高频并网逆变器在风力发电、太阳能光伏发电等分布式可再生能源系统中是非常重要的部件,是开发的关键之一。并网光伏逆变器具有以下技术要求:逆变效率高达94%以上;直流输入范围要宽;具有最大功率跟踪(mppt)功能;具有反孤岛效应功能⑤波形畸变率要小,tdd<5%;具备高可靠性和长寿命。

  在这些要求中,效率正成为光伏逆变器中越来越重要的参数,效率的提升直接带来经济效益的提高。而决定光伏逆变器效率高低的关键因素之一就是电力电子器件的选择。光伏逆变器中的电力电子器件主要是指功率场效应管,即功率mosfet(metal oxide semiconductor field effect transistor)和绝缘栅双极型晶体管igbt(insulated gate bipolar transistor)。相对于mosfet,igbt饱和压降更低,更容易实现高压、大电流化,所以成为电力电子领域具主导地位的功率器件。而igbt模块比分立的igbt单管具有更高的可靠性和安全工作区。还有一种称为ipm(intelligent power module)的智能功率模块,更是将igbt和驱动、保护技术集成为一体,具有优异的可靠性。本文主要介绍最新的中小功率光伏逆变器用igbt模块和ipm。

2 集成驱动和保护功能的光伏专用pv-ipm

  pv-ipm是三菱电机开发的专用于太阳能光伏领域的智能功率模块,将igbt及其驱动电路、保护电路集成在同一模块内。pv-ipm采用三菱最新的cstbttm硅片技术,将饱和压降vce(sat)和关断损耗的折衷关系最优化,并实现了噪声di/dt的降低。在内部集成了新的控制ic,可使开关频率高达30khz。内部集成了欠压、短路和过温三种保护功能,无论检测到哪种故障时,ipm都将输出一个故障信号,使内部igbt单元关断,从而使器件免遭损坏。欠压保护值uv约为12v,复位值uvr为12.5v;短路的电流保护阈值sc约为2倍模块额定电流;过温保护的阈值ot为135℃,复位值otr为125℃。整个保护动作示意图如图1所示。

  pv-ipm的封装(螺栓端子型)如图(a)所示。最近,三菱电机又推出了封装更加紧凑的new pv-ipm,如图(b)所示。pv-ipm内部拓扑可分为全桥4单元型,全桥4单元+1个斩波电路型,以及全桥4单元+双斩波电路型三种,如图3所示。

  完善的驱动和保护功能,灵活的拓扑结构,紧凑的封装使pv-ipm能大大缩短客户的开发进度,提高光伏逆变器的可靠性。图4a)给出了使用50a/600v pv-ipm的光伏逆变器的满载运行时的输出波形。实验条件:并网电压为230 v/50 hz,直流侧电压udc=390v,并网电流thd=1.24%。

  (a)并网电压、电流波形

  (b)斩波电路igbt vce开关波形

3 旨在提高效率的igbt和mosfet混合模块

  图5所示为一个单相光伏逆变器的典型全桥逆变电路,为尽可能地降低igbt的损耗,有时pwm控制策略使上桥臂igbt1/igbt3的开关频率设定为电网频率(例如50hz),而下桥臂的igbt2/igbt4则工作在较高的开关频率下,来实现输出正弦波。这样的工作模式对全桥逆变中的4个igbt单元的性能要求是不尽相同的。因为上桥臂工作在工频开关频率,所以对igbt1/igbt3要求具有低的饱和压降vce(sat),以降低系统的通态损耗,同时尽量降低二极管的反向恢复损耗,要求二极管具有快的恢复时间或者采用sic二极管;因为下桥臂的igbt单元工作在高频下,所以对igbt2/igbt4要求尽可能快的关断速度以降低开关损耗。

  mosfet比igbt具有更高的开关频率,更适合于高频运行,所以下桥臂的igbt模块可以用mosfet来取代。 vincotech公司新推出的光伏逆变器专用模块flowsol-bi(p896-e01)就是根据上述理念开发的光伏逆变器用igbt+mosfet混合模块。其封装结构和内部电路框图如图6所示。该模块的boost电路是由mosfet(600v/45m)和sic二极管组成。h桥电路上半桥由75a/600v igbt和sic二极管组成,下半桥由mosfet(600v/45m)组成。模块还集成了温度检测电阻。根据实验结果,使用该混合型igbt+mosfet+sic二极管模块的光伏逆变器的效率,比使用纯igbt模块的逆变器,可以提高2个百分点[1]。

  为进一步提高光伏逆变器的效率,vincotech公司又提出了将igbt和mosfet并联的模块解决方案,如图7所示。重载的时候,将开关损耗集中在mosfet上,导通损耗集中在igbt上;而轻载的时候,将开关和导通损耗都集中在mosfet上。这样的并联方案,发挥了mosfet和igbt各自的优点,使效率进一步提高。使用这种igbt和mosfet并联的模块方案如图8所示。

  对于这种模块的驱动,可以采用多种方案,如采用两个独立的驱动器分别驱动igbt和mosfet,或者采用一个驱动器分出两路独立信号分别驱动igbt和mosfet,都是可行的解决方案。

4 光伏逆变器用三电平功率模块

  在某些光伏应用中,直流侧电压会达到1000v,如果使用两电平电路,1200v耐压等级的功率模块是必需的。但是器件耐压等级升高,往往意味着损耗可能增大,光伏逆变器效率可能降低。三电平拓扑的引入,有效解决了这些问题。二极管箝位三电平的基本拓扑如图9a)所示,采用两主管串联与中点带箝位二极管的方案,使主管耐压可以降低一半,从而使低压功率器件可以应用于高压变换器中。与传统的两电平逆变器相比较,三电平逆变器还能减少谐波和降低系统损耗。

  vincotech公司推出的基于标准三电平拓扑的模块型号是p926-l33。根据vincotech的测试结果,针对1000v直流侧电压的光伏逆变器,如果采用二极管箝位三电平结构拓扑,其光伏逆变器的效率高达99.2%,比普通的两电平拓扑效率高出3个百分点。

  上面提到的igbt+mosfet混合及并联技术同样可以应用于三电平拓扑的功率模块中。图9b)p965f和图9c)p969f分别给出了混合和并联的三电平拓扑模块示例。由于引入的mosfet内部二极管不能承受大的无功电流,无功电流的流向成为一个问题。为解决这个问题,p965f和p969f在输出和直流母线间增加了1200v二极管,这样能输出无功功率,同时也可以用作高效率的双向逆变器,实现能量的反向变换,为了减少损耗,该二极管推荐使用sic二极管。同时,可见在该拓扑内管igbt的反并联二极管上串联了一个高压二极管,以防止mosfet关断时由于寄生电容而产生反向的充电电流流过igbt反并联二极管[2]。

  图10给出了两种改进三电平拓扑的效率比较结果。图10中的实线是p965f的效率曲线,即外管采用mosfet的二极管箝位三电平拓扑;虚线是p969f的效率曲线,即采用mosfet +igbt并联技术的二极管箝位三电平拓扑。比较的条件为:输出能力为10w,开关频率是16khz。由图10可见,在3kw以上时,p969f的优势是显而易见的,在满载时,p969f 比p965f效率高出约0.7%[3]。

5 结束语

  着眼于提高光伏逆变器的效率和可靠性,功率模块的发展方向在于更高的功能集成技术,更优的igbt+mosfet混合技术和更高效的拓扑结构。集成短路、欠压和过温保护的ipm使光伏逆变器的可靠性大大提高,失效率降低。igbt+mosfet混合解决方案和二极管箝位三电平拓扑方案,可以显着提高光伏逆变器的效率。

(来源:未知)

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