上能電氣采用英飛凌IGBT7 EconoDUAL?3實現(xiàn)單機2MW儲能變流器

作者簡介

上能電氣股份有限公司 儲能開發(fā)部副經理 周立冬

英飛凌工業(yè)與基礎設施業(yè)務 大中華區(qū)應用工程師 何通

英飛凌的TRENCHSTOP IGBT7，作為新一代IGBT技術的璀璨明珠，是大功率儲能變流器PCS技術升級的推動力，它進一步提高了逆變器效率和功率密度。

EH-2000-HA-UD是上能電氣的基于英飛凌IGBT7技術的新一代高功率密度2MW儲能變流器PCS，使用英飛凌最新的EconoDUAL 3封裝的750A 1200V模塊，型號為FF750R12ME7_B11。該模塊的使用顯著簡化系統(tǒng)設計，提高了功率密度。在不改變機箱尺寸的基礎上單機功率從1.725MW提升到了2MW，交流輸出電流高達1840A/690V，功率密度與競品比8%到26%。

上能儲能變流器PCS主要參數(shù)

上能儲能變流器PCS與競品比較

上能的儲能逆變器設計采用三電平拓撲，最高99%轉換效率，電能質量更優(yōu)具備PQ、VF、SVG、VSG功能，支持高/低壓穿越快速功率調度、離網運行和“黑啟動”，電網適應能力強。

EH-2000-HA-UD是如何做到“小身材，大能量”的呢？這得益于不斷發(fā)展的IGBT技術。

IGBT是儲能變流器實現(xiàn)電能轉換的核心元件，它仿佛一雙強有力的手，控制著電流的開通，和關斷。如果這雙手臂力氣大，消耗少，可以減小散熱系統(tǒng)的體積重量，減小變流器的體積，或增加變流器輸出功率，上能的設計屬于后者。

EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，這是一款1200V/750A的IGBT模塊，芯片采用的是英飛凌最新一代IGBT7技術。與英飛凌上一代IGBT4技術不同，IGBT7采用更加精細化的MPT微溝槽柵技術，溝道密度更高，芯片厚度更薄，元胞結構及間距也經過精心設計，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而實現(xiàn)最佳開關性能。

在現(xiàn)代功率半導體器件中，提高開關速度、開關頻率和功率密度是大勢所趨。然而，由于不同具體應用對器件性能需求有差異。就地面電站的兆瓦級的變流器而言，客戶典型開關頻率（fsw）一般在3kHz。這意味著，對變流器而言，降低靜態(tài)損耗成為了功率半導體的發(fā)展重點，快速開關和高開關頻率需求的重要性有所減弱，開關損耗變得次要了。針對上述需求，IGBT7進行了精心的優(yōu)化。主要體現(xiàn)在：

01

更低的飽和壓降和導通損耗

因為更薄的芯片厚度和優(yōu)化的載流子分布，IGBT大幅降低了器件的損耗，飽和壓降相比IGBT4降低了17%，例如IGBT7的Vce(sat)@25℃僅有1.75V，同時關斷損耗仍舊與IGBT4維持在同一個水平。如下圖所示，IGBT7相比前代器件而言，其折衷曲線進一步逼近理想原點。

因此，如下表，在EconoDUAL 3的封裝下，IGBT4最大的電流規(guī)格只能到600A，而IGBT7得益于更低的飽和壓降和損耗，在600A的基礎上，還推出了更大電流的750A及900A的產品(如下圖)，更豐富的產品系列，給客戶更多的選擇，同時也可以用更大的電流的模塊，做功率密度更高的產品，提高客戶產品的競爭力。

以典型的600A EconoDUAL 3封裝為例，應用600AIGBT4目前業(yè)界應用水平，應用三電平和4管并聯(lián)的情況下，可以達到主流的1.725MW。而在同樣的系統(tǒng)體積和并聯(lián)數(shù)量的條件下，EH-2000-HA-UD應用750AIGBT7的產品可以提升到2MW。輸出功率和電流能力提升了16%。

02

靈活門極開通關斷電阻配置

對于關斷電阻的選取，是按照實際應用電路在最劣條件下的功況進行雙脈沖測試，一般通過增加關斷電阻，降低dv/dt,把Vce尖峰電壓控制在一個合理的水平。而一般情況下，IGBT的關斷損耗與關斷電阻的大小呈現(xiàn)明顯的正向關系(關斷電阻越大，關斷損耗越大)，所以，加大關斷電阻來控制Vce尖峰電壓，會造成關斷損耗的迅速增加，而影響整體系統(tǒng)效率。而IGBT7芯片經過優(yōu)化的設計，關斷損耗在不同的關斷電阻條件下，正相關并不明顯，給予客戶在調整Vce關斷電壓尖峰方面有很大的自由度，不再因為關斷電阻的增大對效率有顯著降低。客戶只需要關注尖峰電壓在最惡劣條件下符合客戶的設計規(guī)范即可。

另外，由于IGBT7的精細化溝槽的設計，不同于IGBT4的驅動電阻選型規(guī)則，由于Qg相對于IGBT4要大，因而相對于IGBT4而言，要達到更小的開通損耗，IGBT7需要使用更小的開通電阻和更大的門極驅動功率。而優(yōu)化的門極驅動電路也可以兼顧開通損耗和二極管反向恢復性能這兩者的平衡。

03

更低的功率端子和內部引線電阻

模塊內部的綁定線、DCB上表面的覆銅層和芯片與DCB之間的焊接層共同組成了內部引線電阻，其等效值為RCC’+EE’，如下圖所示。C是IGBT集電極功率端子，C′是IGBT發(fā)射極輔助端子，E是IGBT發(fā)射極功率端子，E′是IGBT發(fā)射極輔助端子。EconoDUAL 3為半橋拓撲，包含兩個等效的IGBT開關和與其并聯(lián)的續(xù)流二極管。每個IGBT開關和續(xù)流二極管各包含一個RCC’+EE’。

由于IGBT7增加了模塊內部功率端子側的銅片面積，可以安裝更多的銅連接線，因而IGBT7比IGBT4的銅連接線數(shù)量增加高達40%。如下表其常溫RCC’+EE’為0.8毫歐，比IGBT4的1毫歐降低了20%。如下表：假定引線電阻的溫度與IGBT模塊的殼溫相同，以殼溫105度為例，三電平拓樸中，在逆變PF=1,2MW的輸出功率條件下，通過仿真計算，平均每個RCC’+EE’可減少約12W的損耗。

同時得益于IGBT7 EconoDUAL 3對模塊內部連接DCB和功率端子的結構設計進行的優(yōu)化，使端子側的銅片面積得以增加，其功率端子的電阻得以減小，有研究表明，在相同工況（模塊輸出電流550Arms，IGBT開關頻率1000Hz），IGBT7的功率端子的溫度比IGBT4最高可降低20℃，在一些惡劣的溫升條件下，可以減小甚至取消功率端子的散熱片。(更多信息可以參考：英飛凌1700V EconoDUAL 3 IGBT新產品及其在中高壓級聯(lián)變頻器和靜止無功發(fā)生器中的仿真研究)

因而，IGBT7 EconoDUAL 3在芯片及封裝層面上的全新優(yōu)化設計，以1.725MW的儲能變流器應用為例，實測IGBT7比IGBT4在PF=1滿載放電條件下實測效率提高0.028%，在PF=-1滿載充電條件下實測效率提高0.086%，效率的提高意味著更小的損耗和更低的結溫。因而在相同結溫限制條件下，IGBT7比IGBT4在系統(tǒng)層面可以有效提高輸出電流或功率，為單機1.725MW儲能變流器擴容到2MW奠定基礎。而上能儲能變流器EH-2000-HA-UD憑借優(yōu)化后的門極驅動充份發(fā)揮IGBT7的上述優(yōu)勢，并配合上能在熱管理上的豐富設計經驗，使其新一代單機2MW產品實測系統(tǒng)峰值效率可達99%，達到業(yè)界領先水平。

由此可見，得益于IGBT功率半導體器件的一代又一代不斷優(yōu)化在，從穿通型IGBT到場截止型IGBT，從平面柵到溝槽柵，又從溝槽柵到精細化溝槽柵。英飛凌新一代產品IGBT7會持續(xù)助力儲能變流器實現(xiàn)更低功耗與更小體積，追求低碳高效的路上我們從不停歇，讓我們同生活，共未來。