作者簡介

上能電氣股份有限公司 儲(chǔ)能開發(fā)部副經(jīng)理 周立冬

英飛凌工業(yè)與基礎(chǔ)設(shè)施業(yè)務(wù) 大中華區(qū)應(yīng)用工程師 何通

英飛凌的TRENCHSTOP IGBT7，作為新一代IGBT技術(shù)的璀璨明珠，是大功率儲(chǔ)能變流器PCS技術(shù)升級(jí)的推動(dòng)力，它進(jìn)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(shù)的新一代高功率密度2MW儲(chǔ)能變流器PCS，使用英飛凌最新的EconoDUAL 3封裝的750A 1200V模塊，型號(hào)為FF750R12ME7_B11。該模塊的使用顯著簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了功率密度。在不改變機(jī)箱尺寸的基礎(chǔ)上單機(jī)功率從1.725MW提升到了2MW，交流輸出電流高達(dá)1840A/690V，功率密度與競品比8%到26%。

上能儲(chǔ)能變流器PCS主要參數(shù)

上能儲(chǔ)能變流器PCS與競品比較

上能的儲(chǔ)能逆變器設(shè)計(jì)采用三電平拓?fù)?，最?9%轉(zhuǎn)換效率，電能質(zhì)量更優(yōu)具備PQ、VF、SVG、VSG功能，支持高/低壓穿越快速功率調(diào)度、離網(wǎng)運(yùn)行和“黑啟動(dòng)”，電網(wǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)。

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(shù)。

IGBT是儲(chǔ)能變流器實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的核心元件，它仿佛一雙強(qiáng)有力的手，控制著電流的開通，和關(guān)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(shè)計(jì)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(shù)。與英飛凌上一代IGBT4技術(shù)不同，IGBT7采用更加精細(xì)化的MPT微溝槽柵技術(shù)，溝道密度更高，芯片厚度更薄，元胞結(jié)構(gòu)及間距也經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，并且優(yōu)化了寄生電容參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最佳開關(guān)性能。

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

01

更低的飽和壓降和導(dǎo)通損耗

因?yàn)楦〉男酒穸群蛢?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(shí)關(guān)斷損耗仍舊與IGBT4維持在同一個(gè)水平。如下圖所示，IGBT7相比前代器件而言，其折衷曲線進(jìn)一步逼近理想原點(diǎn)。

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(chǔ)上，還推出了更大電流的750A及900A的產(chǎn)品(如下圖)，更豐富的產(chǎn)品系列，給客戶更多的選擇，同時(shí)也可以用更大的電流的模塊，做功率密度更高的產(chǎn)品，提高客戶產(chǎn)品的競爭力。

以典型的600A EconoDUAL 3封裝為例，應(yīng)用600AIGBT4目前業(yè)界應(yīng)用水平，應(yīng)用三電平和4管并聯(lián)的情況下，可以達(dá)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(yīng)用750AIGBT7的產(chǎn)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(guān)斷電阻配置

對(duì)于關(guān)斷電阻的選取，是按照實(shí)際應(yīng)用電路在最劣條件下的功況進(jìn)行雙脈沖測試，一般通過增加關(guān)斷電阻，降低dv/dt,把Vce尖峰電壓控制在一個(gè)合理的水平。而一般情況下，IGBT的關(guān)斷損耗與關(guān)斷電阻的大小呈現(xiàn)明顯的正向關(guān)系(關(guān)斷電阻越大，關(guān)斷損耗越大)，所以，加大關(guān)斷電阻來控制Vce尖峰電壓，會(huì)造成關(guān)斷損耗的迅速增加，而影響整體系統(tǒng)效率。而IGBT7芯片經(jīng)過優(yōu)化的設(shè)計(jì)，關(guān)斷損耗在不同的關(guān)斷電阻條件下，正相關(guān)并不明顯，給予客戶在調(diào)整Vce關(guān)斷電壓尖峰方面有很大的自由度，不再因?yàn)殛P(guān)斷電阻的增大對(duì)效率有顯著降低?？蛻糁恍枰P(guān)注尖峰電壓在最惡劣條件下符合客戶的設(shè)計(jì)規(guī)范即可。

另外，由于IGBT7的精細(xì)化溝槽的設(shè)計(jì)，不同于IGBT4的驅(qū)動(dòng)電阻選型規(guī)則，由于Qg相對(duì)于IGBT4要大，因而相對(duì)于IGBT4而言，要達(dá)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(qū)動(dòng)功率。而優(yōu)化的門極驅(qū)動(dòng)電路也可以兼顧開通損耗和二極管反向恢復(fù)性能這兩者的平衡。

03

更低的功率端子和內(nèi)部引線電阻

模塊內(nèi)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(nèi)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?fù)洌瑑蓚€(gè)等效的IGBT開關(guān)和與其并聯(lián)的續(xù)流二極管。每個(gè)IGBT開關(guān)和續(xù)流二極管各包含一個(gè)RCC’+EE’。

由于IGBT7增加了模塊內(nèi)部功率端子側(cè)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(dá)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(jì)算，平均每個(gè)RCC’+EE’可減少約12W的損耗。

同時(shí)得益于IGBT7 EconoDUAL 3對(duì)模塊內(nèi)部連接DCB和功率端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行的優(yōu)化，使端子側(cè)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(guān)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(chǎn)品及其在中高壓級(jí)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(shè)計(jì)，以1.725MW的儲(chǔ)能變流器應(yīng)用為例，實(shí)測IGBT7比IGBT4在PF=1滿載放電條件下實(shí)測效率提高0.028%，在PF=-1滿載充電條件下實(shí)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(jié)溫。因而在相同結(jié)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(jī)1.725MW儲(chǔ)能變流器擴(kuò)容到2MW奠定基礎(chǔ)。而上能儲(chǔ)能變流器EH-2000-HA-UD憑借優(yōu)化后的門極驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，使其新一代單機(jī)2MW產(chǎn)品實(shí)測系統(tǒng)峰值效率可達(dá)99%，達(dá)到業(yè)界領(lǐng)先水平。

由此可見，得益于IGBT功率半導(dǎo)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(xì)化溝槽柵。英飛凌新一代產(chǎn)品IGBT7會(huì)持續(xù)助力儲(chǔ)能變流器實(shí)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。