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IGBT单管与模块并存

2023-10-07 14:24:51

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逆变电路:IGBT VS MOSFET

首发·工科知识点

采用功率场效应管MOSFET构成的推挽式逆变电路比较简单,变压器的中性抽头接于电源正极,MOSFET的一端接于电源负极,交替工作最后输出交流电力,但是带感性负载的能力差,而且变压器的效率也较低,因此应用起来有一些条件限制。

采用绝缘栅双极晶体管IGBT构成的全桥逆变电路,其中Q1和Q2之间的相位相差180°,输出交流电压的值随Q1和Q2的输出变化而变化。Q3和Q4同时导通构成续流回路,能够承载的电压更大,变压器的效率也更高,因此采用IGBT构成的逆变电路的应用较为广泛。

光伏IGBT芯片的可靠性要求高

光伏IGBT芯片的国产化难度高。工控外接负载电机,会有过载的情况发生,电流过载使得温度升高,最终导致模块失效,所以厂家在应用IGBT模块时留很大的余量,比如模块的额定电流为100A,降等用40-50A。而光伏是将直流电逆变到交流电,再上传到电网,它没有过载,所以光伏逆变器的企业基本上把IGBT模块用到极致,所以光伏企业对IGBT芯片的可靠性要求高于工控领域。

光伏逆变器分类

主流集中式逆变器解决方案

集中式逆变器拓扑结构

集中式光伏逆变器只有DC到AC的拓扑结构,功率大多是125千瓦起步。

一只500千瓦的集中式光伏逆变器里面使用4只125千瓦的逆变器进行系统并联,一只125千瓦里通常使用三个半桥的1200V 600A的IGBT模块。

集中式逆变器拓扑结构

半桥模块也称为2 in 1模块,可以直接构成半桥电路。半桥模块的电流/电压规格指的均是其中的每一个模块单元,如1200V 600A的半桥模块,表示其中的2个IGBT管芯的电流/电压规格都是1200V 600A,即C1和C2之间可以耐受最高2400V的瞬间直流电压。

一个半桥的1200V 600A的IGBT模块内部使用两组IGBT芯片,每一组里面使用四颗150A芯片进行并联,模块内共计使用八颗150A IGBT芯片。

组串式逆变器拓扑结构

组串式光伏逆变器在单个光伏(PV) 电池板上转换电源,单个光伏电池板的额定功率通为400W。组串式光伏逆变器通常基于两级式电源转换。首先,DC-DC升压电路将可变直流电压转换为固定直流电压(通常为40V-60 V),同时,通过最大功率点跟踪技术(MPPT)从光伏板获取能量(通常FSW=100 KHz)。接着在直流转交流阶段,逆变器将直电源转换成与电网兼容的1Φ的交流电源。

单相串联逆变器解决方案

三相串联逆变器解决方案

组串式逆变器拓扑结构

相比集中式逆变器,组串式逆变器的结构更为复杂,使用的IGBT数量更多。组串式逆器进行并联要控制谐振,否则可能造成大面积脱网现象。。

在DC-DC升压阶段可以使用模块,也可以并联多个单管,单管的数量根据器件的电流算。假设电流为300A,可以使用4个75A的IGBT单器件或者6个50A的IGBT单器件进行并联,后续DC-AC阶段与集中式逆变器相同,大功率的采用三电平IGBT模块。

NPC 三电平IGBT拓扑结构

IGBT模块需求量有望持续提升

逆变器的功率密度显著提升。2020年集中式逆变器功率密度为1.16kW/kg,集中式电站用组串式逆变器功率密度为2.14kW/kg,单相户用光伏逆变器功率密度为0.57kW/kg,三相户用逆变器功率密度为1.00kW/kg。

集中式逆变器功率大于组串式逆变器。2020年,集中式逆变器单机功率为3125kW/台,集中式电站用组串式逆变器单机功率为225kW/台。户用光伏逆变器单机功率,在220V电压下为8kW/台,在380V电压下约15-20kW/台。

逆变器功率密度及额定功率的提升,对IGBT模块的需求量将提升。


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