近年来,为防止温室效应与有效运用能源资源,可再生
能源的地位越发举足轻重。太阳能发电和风力发电在提供电力的同时,可抑制温室气体(CO2)产生,其市场正在快速发展。电力电子技术能使电力能源得到高效利用,有助于抑制发电时的CO2 排放量,并扩大可再生能源的运用。富士电机开发出3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块,用于太阳能发电、风力发电等的大容量电力转换设备。本文将针对其特点和特性进行介绍。
3 电平电力转换方式
电力能源转换,大多采用2 电平电力转换方式,但还有一种3 电平电力转换方式,与两级电力转换相比可提高转换效率。此方式由于具有中性点,以2 电平电力转换方式一半的电压进行开关,因此具备可降低输出侧高次谐波,减少所发生损耗,实现装置小型化等优点。3 电平电力转换方式有两种,分别是开关元件串联的NPC(Neutral- Point-Clamped⑴)方式和使用中间双向开关的AT(Advanced T-type)-NPC⑵方式。
富士电机为了使产品可用于太阳能发电用设备和不间断电源装置(UPS :Uninterruptible Power Supplies),在3 电平模块开发上倾注全力,到目前为止,已提供中小容量AT-NPC IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块⑵~⑷,为提高设备效率做出了贡献⑸。
为提高太阳能发电(百万瓦级太阳能)和UPS 的容量,多数情况会将多个中小容量IGBT 模块并联使用。然而,并联使用IGBT 模块时,存在因模块间或模块与主电路间布线电感产生高浪涌电压等课题。另外并联使用IGBT 模块还会使冷却板面积变大。为解决该课题,大容量IGBT 模块承载着市场的厚望。
3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块的特点与电气特性
3 . 1 特点
3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块将AT-NPC 方式或NPC 方式的转换电路和 热敏电阻装入同一封装。图1表示IGBT 模块的外观,图2 则表示等效电路。开关元件的最大额定电压电流,AT-NPC 方式为1200 V/900 A,NPC 方式则为1200 V/600 A。本开关元件使用了“V 系列”芯片和RB(Reverse Blocking-IGBT 芯片,另外利用电磁互感作用将IGBT 模块内部电感抑制在较低水平。此IGBT 模块与并联使用中小容量IGBT 模块相比具有以下优点。
图1 3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块
图2 IGBT 模块的等效电路
a) 装入同一封装,可减小内部电感。
b) IGBT 模块的安装面积小,并且可减小冷却板的面积,有望於实现装置小型化。
开发中的IGBT 模块,AT-NPC 方式与NPC 方式具有相同外观。AT-NPC 方式的IGBT 模块,变频器部耐压与2 电平相同,而且电流通过的元件数量与NPC 方式相比较少,因此可抑制导通损耗。而NPC 方式IGBT 模块的开关元件,因为并联的关系,元件耐压为2 电平的一半,因此适用于高压领域。各IGBT 模块的共通特点如下所示。
a) 开关电压为2 电平电力转换电路的一半,因此可降低转换器的开关损耗。
b) 开关波形为阶梯状,因此与2 电平电力转换电路相比,可降低高次谐波,滤波器较小,装置小型化成为可能。