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光伏逆变器三菱IGBT选型

本文针对100KW,250KW,500KW光伏逆变器三菱IGBT模块选型方案进行详细介绍,包括逆变器设计,IGBT输出额定电流计算,根据计算峰值电流选择合适IGBT模块IGBT驱动器适配,IGBT功耗仿真。
1 100KW光伏逆变器硬件选型方案介绍
建议选择1200V  IGBT双管,构成100KW的总功率输出。
单台100KW逆变器设计:
100KW输出额定电流计算:Io=100000/(1.732*380) =152A,380V-逆变器输出电压有效值,1.732-根号3。
IGBT选型要求:I(IGBT峰值电流)=152*1.1(过载率)*1.414*1.2(纹波)=284A
IGBT选择: CM450DX-24S (3支)
驱动器选择:Concept即插即用驱动板:2SP0115T2Ax-CM450DX-24S与IGBT一对一连接
                     驱动核:2SC0108T2Dx-12
有并网变压器情况下,按照开关频率5000Hz,输出电流150A、调制比0.85、功率因数0.98,母线电压650Vdc,输出电压380Vac,最高散热器温度80度进行仿真计算,结果如下:
100KW IGBT模块功耗及温度仿真结果
图一  IGBT模块内部功耗及温度仿真结果(有并网变压器)
假定选定的散热器使散热器温度最大保持在80度的前提下,当输出电流150A时,IGBT的最大结温为94.28度,IGBT模块最大壳温为86.97度。IGBT模块在给定工作条件下,最终的损耗为:232.2W。其中IGBT的通态损耗为72.04W,开关损耗为94.32W,反并联二极管的通态损耗为12.82W,开关损耗为53W。
因此,三相逆变器总的损耗P=3*464.35=1393W.
在输出150A电流时,IGBT的最大结温小于150度,满足使用要求。
说明:实际上许多厂家的并网逆变器采用有并网变压器和无并网变压器并网两种模式,因为无变压器对的输出电压小,对逆变器输出电流的能力较强,因此,以无并网变压器为列,逆变器输出电压270V,经过三角转星型变压器转换成380V然后并网。国家标准考虑的电网波动范围为(-10%~7%),最小持续时间10s,因此并网时候,需要考虑10%的过载情况。
无并网变压器情况下,按照开关频率5000Hz,因为过载持续时间10s,此时对IGBT而言属于稳定工作状态,因此输出电流235A、调制比0.85、功率因数0.98,母线电压450Vdc(业内均采用450Vdc),输出电压270Vac,最高散热器温度80度进行仿真计算,结果如下:
100KW IGBT模块功耗及温度仿真结果
图二  IGBT模块内部功耗及温度仿真结果(无并网变压器)
 
2 250KW光伏逆变器硬件选型方案介绍
建议选择1200V IGBT双管,构成250KW的总功率输出。
单台250KW逆变器设计
250KW输出额定电流计算:Io=250000/(1.732*270) =535A,270-逆变器输出电压有效值,                                              1.732-根号3。
IGBT选型要求:I(IGBT峰值电流)= 535*1.1(过载率)*1.414*1.2(纹波)=1089A
250KW IGBT方案Ⅰ:
IGBT选择: CM450DX-24S (9支,每三支并联)
驱动器选择:Concept即插即用驱动板:2SP0115T2Ax-CM450DX-24S与IGBT一对一连接
                     驱动核:2SC0108T2Dx-12
按照开关频率5000Hz,输出电流535A,过载电流588A,单个IGBT 196A,调制比0.85、功率因数0.98,母线电压450Vdc,输出电压270Vac,最高散热器温度80度进行仿真计算,结果如下:
100KW IGBT模块功耗及温度仿真结果
图三  IGBT模块内部功耗及温度仿真结果
假定选定的散热器使散热器温度最大保持在80度的前提下,当输出电流196A时,IGBT的最大结温为95.61度,IGBT模块最大壳温为87.39度。IGBT模块在给定工作条件下,最终的损耗为:246.3W。其中IGBT的通态损耗为105.46W,开关损耗为81.42W,反并联二极管的通态损耗为36.43W,开关损耗为45W。
因此,三相逆变器总的损耗P=9*492.55=4432.95 W.
在输出196A电流时,IGBT的最大结温小于150度,满足使用要求。
250KW IGBT方案Ⅱ:
IGBT:选择CM1400DUC-24NF  (3支)
驱动器:采用驱动核2SC0435 或 2SD300C17设计驱动板
按照开关频率5000Hz,输出电流535A,过载电流588A,调制比0.85、功率因数0.98,母线电压450Vdc,输出电压270Vac,最高散热器温度80度进行仿真计算,结果如下:
250KW IGBT模块功耗及温度仿真结果
图四  IGBT模块内部功耗及温度仿真结果
 
3 500KW光伏逆变器硬件选型方案介绍
建议选择1200V IGBT单管CM2500DY-24S,构成500KW的总功率输出。
500KW输出额定电流计算:Io=500000/(1.732*270) =1070A,270-逆变器输出电压有效值,                                            1.732-根号3。
IGBT选型要求:I(IGBT峰值电流)= 1070*1.1(过载率)*1.414*1.2(纹波)=1997A
IGBT:选择CM2500DY-24S  (3支)
驱动器:即插即用驱动板:2SP0325x2Ax-CM2500DY-24S与IGBT行程一对一连接。
驱动核: 2SC0435 或 2SD300C17设计驱动板
按照开关频率3000Hz,输出电流1050A,过载电流1156A,调制比0.85、功率因数0.98,母线电压450Vdc,输出电流270Vac,最高散热器温度80度进行仿真计算,结果如下:
500KW IGBT模块功耗及温度仿真结果
假定选定的散热器使散热器温度最大保持在80度的前提下,当输出电流1156A时,IGBT的最大结温为102.15度,IGBT模块最大壳温为87.56度。
在输出1156A电流时,IGBT的最大结温小于150度,满足使用要求。
 
仿真说明:
几种方案的比较均是在IGBT模块给定参数下做的仿真计算,因为实际样机过程中系统寄生参数,门极驱动电阻,驱动脉冲功率等参数的影响会造成实际过程中的发热量与IGBT的结温大小与仿真存在差别。
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