500KW光伏逆变器IGBT模块方案对比及关键技术(3)

功率开关管驱动电路设计：
IGBT驱动电路的作用是将DSP发出的控制信号加以隔离并放大，以驱动IGBT等功率器件，并检测电路的电压，防止因电路过压，短路而造成IGBT损坏，因此驱动电路应满足以下要求：
（1）为了减少器件的损耗，驱动电路应保证器件充分导通和可靠关断。驱动电路与IGBT的连线要尽量短。
（2）保障驱动电路和主回路的电气隔离，由于主回路是高电压，驱动控制电路是低电压，所以要求驱动信号与主回路无电气耦合。
（3）具有抗干扰能力，防止开关器件在各种外界干扰下的出现误动作，影响逆变器总的发电量，保证器件的高可靠的工作。
（4）具有可靠的保护能力，当主回路或驱动控制电路出现故障时(如主电路过电流、过电压和驱动电路欠电压），驱动电路应迅速封锁IGBT的PWM信号，关断器件。
主要的保护功能有：过流检测及保护，欠压检测及保护，温度检测及保护。
IGBT驱动电路按功能可分三种类型：单功能型、多功能型、全功能型。
（1）单功能型驱动电路是由功率缓冲器和光耦构成，如HCLP-3150，
（2）多功能型的大功率IGBT驱动保护电路，如HCPL-316J、 M57962，   VLA500-01等
直流母线电容设计：
太阳能组件输出的连续的直流电流，逆变桥采用高频PWM控制，输出的是高频脉冲电流，因此在逆变桥和太阳能组件之间，需要一个直流支撑电容，主要有以下几个作用：
（1）和太阳能组件一起提供逆变器输入电流；
（2）降低谐波电流进入电网；
（3）当机器在紧急情况下急停时，能吸收功率开关器件关断下能量；
（4）在特殊工况下，能提供瞬时峰值功率；
（5）当逆变器受到电网瞬时峰值冲击，能保护逆变器。
母线电容设计选型，要考虑的以下主要因素：电容器的额定电压、电容器容量、电容器的纹波电流、电容器的安装散热方式，电容器的温升和寿命等等
   1）从纹波电流考虑，母线电容中的纹波电流一般取流过IGBT电流的0.65倍。所有电容的纹波电流之各要大于此值。
   2）从能量的转换考虑，一般要使电容组能提供0.5个周期的能量。
   3) 电容的电压要大于电流最高电压
选择IGBT时需要考虑额定电压和额定电流是否在允许的范围内：
耐电压要求：IGBT在开通和关断时，会在产生尖峰电压，这个电压要低于器件的耐压值，否则器件将因电压过高击穿而损坏；本逆变器输入电压范围是450VDC到820VDC，关断时的峰值电压为：
U_CESP (820×1.1+50)×α=1047V    
式中，IGBT的CE两端承受的最高电压是820V，1.1为IGBT电压保护系数，α为安全系数，一般取1.1，50为L×(d_i/d_t)引起的尖峰电压。令U_CES≥U_CESP，并向上靠拢IGBT的实际电压等级，取U_CES=1200V。
安全电流：IGBT工作过程中，峰值电流必须小于IGBT的额定电流；
叠层母排的优化设计：
IGBT和母线电容连接导线会产生杂散电感，在IGBT关断的过程中，由于电流快速变化，在IGBT上产生电压尖峰，会造成严重的电磁干扰，增大器件电压应力。寄生电感会随着电流的增加、连接导线尺寸增大、距离增长而增大。合理设计变换器连接导线，减小连线电感及其影响，对于提高变换器的可靠性和运行性能至关重要。
电压尖峰增加了IGBT过电压的风险，在某些应用场合，尤其是大功率应用时，高开关速度情况下，需使用更大电压等级的IGBT，这无疑会增加器件的静态损耗和器件成本；另外电压尖峰及其导致的波形振荡还会带来额外的关断损耗，这都会导致系统效率下降和成本增加。
在一个可接受的效率状况下，可以说寄生电感的存在限制了开关频率的进一步提高，以及高频化的应用；另外关断过程中的电压尖峰不仅与寄生电感大小成正比，还与开关电流的变化率成正比，对于大功率模块，由于开关电流较大，因此需要将电感值设计得更低。例如对于100A/600V的应用，回路中10nH的寄生电感是可接受的，但对于较大功率如500A/600 V的应用，为取得同样的开关效果，回路中的寄生电感必须降到2 nH。但现实情况正好相反，对于大功率模块，为了降低回路中的等效电阻，需使用更大面积的直流母排和螺栓端子，而这又进一步增加了回路中的寄生电感。
叠层母排用于完成电力电子产品中功率电路和器件的电气连接，通过正负极层叠平行分布的结构形式降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向峰值电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。
由邻 近效应原理可知，某一导体的高频电流在邻近的导体层会形成辐射干扰电流。对于双层铜排，当电流源路径与地平面互相叠层并使间距满足绝缘层厚度远小于母排宽 度时，高频电流将主要分布在两块铜排相临近的两个内部平面上，部分高频磁场可以相互抵消，相当于等效减小了回路电感。叠层母线排与平行母线排电感大小比较 如图所示，上图的电感要比下图的电感大4倍。 连接线路和器件构成一个“回路”，即图上半部分所示回路。换流回路上叠加的各感应电压将会和直流母线电压一起加在功率器件上，产生关断电压尖峰。尖峰过高可能造成器件过压击穿、增大开关损耗、加剧共模千扰，甚至带来局部放电的危险。因此，在母线排结构设计中，应该尽量避免回路或者保持电流回路交叉。 1）采用单个电容，电容的正负极和功率器件的正负极方向不一样，叠层母排漏感相对值为100%
2）采用单个电容，电容的正负极和功率器件的正负极方向一样，叠层母排漏感相对值为30%
3）采用多个电容，电容的正负极和功率器件的正负极方向一样。叠层母排漏感相对值15 %
在结构设计中，主要考虑到以下几个方面：电容正负端子方向和电流方向保持一致、电容和功率器件之间的距离尽可能短、叠层母排正极和负极之间的距离尽可能短。图中给出常用三种结构方案，方案1是电容组装在一个金属容器内，正负极由底部引出，电容组通过叠层母排和IGBT连接；方案2电容在IGBT的上方，是散热器出风方向和功率器件平行；方案3电容和散热器在同一侧，电容放在进风口。