英飞凌大功率高效光伏逆变器解决方案

1 引言

随着用电量的逐年攀升以及减少温室气体排放的呼声越来越高，新能源产业正以前所未有的速度发展，其中太阳能由于获取方便的特点正越来越受到人们的广泛关注。但是太阳能电池板占地面积比较大，如果需要大功率并网发电只有依靠大功率光伏电站的建设，近几年好多国家都大量建设了大功率光伏电站，作为其核心组成部分的大功率光伏逆变器也得到了快速发展。IGBT 模块由于其自身的可控，电压等级高，电流密度大，开关频率高等特点已成为大功率光伏逆变器的主流功率器件。目前电池板产生的直流电如何高效率地并入电网成为人们研究的重点，效率是评价光伏逆变器的最重要指标之一，而大功率光伏逆变器拓扑几乎都为三相全桥，提高效率主要靠降低 IGBT 模块的损耗来实现，IGBT 模块对于提高逆变器效率显得尤为重要。PrimePACK? 作为英飞凌公司最新一代大功率 IGBT 模块目前已功率应用场合得到了普遍应用。

2 大功率光伏逆变器工作原理

太阳能电池板方阵产生的直流电通过正弦波脉宽调制光伏逆变器向电网输送满足电网规定指标的电能，逆变器馈送给电网的电力由光伏方阵功率和当时当地的日照条件决定。逆变器除了具有将太阳能电池板产生的直流电转化成特定电压和频率的交流电基本功能外，还必须具有MPPT(最大功率跟踪)功能，能够对电网的干扰进行可靠监测，并在电网出现故障时断开与电网的连接。

大功率光伏逆变器大多为并网型，电路拓扑基本为三相全桥，图 1 是大功率并网型光伏逆变器的典型拓扑（IGBT模块作为全桥逆变的功率器件）。从该拓扑可以看出整个逆变器损耗主要来自于IGBT 模块和变压器，因此如何选择IGBT 模块来提高逆变器效率成为一个研究热点。

3 PrimePACK™介绍

PrimePACK™是英飞凌最新一代的IGBT 模块，目前已广泛应用于风能，太阳能等大功率高端场合，它具有寄生电感小，热阻低等优点，并且装配了第四代IGBT 芯片和反并联二

极管，整个模块的温度周次和功率周次都大幅提高。

3.1 低寄生电感设计

如图2 所示，PrimePACK™模块内部正负母线采用叠层母排设计，寄生电感相对较低，半桥结构的 PrimePACKTM2 和 PrimePACKTM3 的寄生电感典型值分别为 18nH 和 10nH, 与之相对应的原先的IHM 模块整个半桥的寄生电感将达到45nH, PrimePACK?的寄生电感相比降低了50%多。

太阳能电池板的空载电压比较高，有时达到 900V, 几乎达到 1200V 模块所能应用的母线电压极限。除了母排寄生电感要求设计的比较小以外，对IGBT 模块内部寄生电感要求比较高，因此 PrimePACK?是非常适合光伏逆变器设计的。另外由于 PrimePACK?的寄生电感比较低，可以把PrimePACK?驱动得更快些，从而降低开关损耗提高逆变器效率。

3.2低Rthch （壳到散热器热阻）设计

如图3 所示对应于内部DCB 衬底，PrimePACK?2 和PrimePACK?3 分别用了 10 个和14 个螺丝来固定铜基板和散热器，一方面可以更好地适应 PrimePACK?细长的封装，另一方面可以使每一个衬底上的IGBT 芯片获得几乎对称的散热条件，因此Rthch 得以大幅降低。

结果非常明显:PrimePACK™2 的铜基板面积是 153cm ,模块的 Rthch 典型值是 4K/kw,对应于半桥结构的IHM 模块铜基板面积为 182cm ，但是模块的Rthch 典型值是6K/kw,可以看出PrimePACK™2 用较小的铜基板面积获得了更小的Rthch, 非常有益于散热。

3.3 IGBT4 和 Emcon4

3.3.1) IGBT4

PrimePACK™ 由于是一种新封装，它里面装的芯片都是最新的第四代IGBT 芯片IGBT4，都是基于沟槽栅场终止技术开发的IGBT 芯片。它的最大的优点就是饱和压降很低，比较适

合大功率场合应用来提高系统效率。根据应用场合不同，分别在 PrimePACK™中放入了第四代的E4 芯片和P4 芯片。

E4 芯片是主要针对中功率应用，对芯片的软特性和开关损耗做了折中处理，在保证比较小的关断损耗的情况下，得到比较好的软特性。P4 芯片主要是针大功率应用优化的，芯片的关断特性很软，但是相应的关断损耗也随之增加，比较适合大电流场合。

3.3.2) Emcon4

所有 PrimePACK™中 IGBT 的反并联二极管都是最新一代的 Emcon4，而且根据所配IGBT 芯片的不同，二极管也会进行优化。 Emcon4 主要是使其反向恢复更软，这样使得IGBT开通特性变得更软，降低了EMI,这样就允许在相同软度的情况下用较小的开通电阻来更快地开通IGBT 从而使开通损耗降低。

3.4 功率周次和温度周次得到明显提高

PrimePACK™对IGBT 芯片的镀层进行了优化，连接线的参数和连接工艺得到大幅改进，因此功率周次明显提高。从图4 可以看出，在工作结温 125 度下，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的4 倍，如果PrimePACK?的工作结温提高到150 度，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的2 倍。

PrimePACK™为了获得更高的温度周次做了很多改进：利用增强型 作为衬底来减小铜基板和衬底之间的热膨胀系数；在铜基板和衬底之间加了支架使得铜基板和衬底之间的焊接更加均匀；功率端子和衬底之间运用超声波焊接工艺。所有这些使得PrimePACK?的温度周次和 IHM 相比明显提高（如图 5 所示），虽然它的温度周次没有达到牵引级标准（AlSiC 加AlN 衬底，价格很贵），但是毫无疑问PrimePACK?性价比最好。