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富士电机三电平电力转换器用大容量IGBT 模块

近年来可再生能源备受瞩目,尤其是太阳能发电和风力发电的市场得到快速发展。在这些领域,为了实现大容量电力转换设备,多数情况会将多个中小容量IGBT 模块并联使用,但这种方式却存在布线电感会产生高浪涌电压等课题。富士电机开发出将所有元件装入同一封装的3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块。模块内部的主端子母线采用层压结构,成功降低了内部电感。本模块可期待电力转换效率的提升与装置小型化。
引言
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-Clamped)方式和使用中间双向开关的AT(Advanced T-type)-NPC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
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。
3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块
图1 3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块
IGBT 模块的等效电路
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。
3 . 2 IGBT 模块的电气特性
3 电平电力转换器用大容量IGBT 模块的概要如表1所示。适用于DC 母线电压1000 V 的AT-NPC 方式IGBT模块有三种额定电流。另外为适用于DC 母线电压1500 V,NPC 方式IGBT 模块也正在开发。
使用的芯片特点如下所示。
⑴ AT-NPC 方式IGBT 模块的变频器部和NPC 方式IGBT 模块采用了最新“V 系列”IGBT 和FWD(Free WheelingDiode)芯片。
 a) 通过使用场终止(FS)结构和沟槽栅结构最佳化,降低了接通电压VCE(sat)和开关损耗。
富士电机三电平IGBT模块概要
可通过门极电阻Rg,提高了开通di /dt 的控制性。
⑵ AT-NPC 方式IGBT 模块的AC 开关部采用富士电机独创的RB-IGBT,其具有具备反向耐压的分离层,使双向开关成为可能。
 a) 由于具备反向耐压性能,通过反向并联RB-IGBT,可实现双向开关。
 b)对门极施加阈值以上的正向电压,可作为FWD 使用,进行反向恢复运行。
图3 表示IGBT 芯片和RB-IGBT 芯片的截面结构。RB-IGBT 的截面结构在划片区上形成覆盖切割面的较深p+分离层,通过阻止耗尽层在施加反向偏压时抵达切割面,从而确保了反向耐压。
图4 表示双向开关的结构。双向开关除RB-IGBT 外还有IGBT+FWD 的方法。然而,普通IGBT 在施加反向偏压时支撑电压的pn 接合会接触到切割面,反向施加后切割造成的高密度晶体缺陷会产生大量载流子,无法确保耐压,因此需要将二极管串联。故此存在导通电压增加的问题。而RB-IGBT 是具有反向耐压的结构,所以导通电压与IGBT+FWD 相比较少。导通电压越少,则导通损耗越少。在太阳能发电领域中,DC 母线电压1000 V 正成为主流。3 电平电力转换方式的变频器中,DC 母线电压为1000 V 时,会以500 V 进行开关,所以在AT-NPC 方式600 V 耐压的中间元件中存在过电压的可能性。而将中间元件的耐压提高到1200 V 后,IGBT 模块的额定电流会降低,导通损耗也会增加。
IGBT 芯片和RB-IGBT 芯片的截面结构
图3 IGBT 芯片和RB-IGBT 芯片的截面结构
双向开关的结构
图4 双向开关的结构
900 V RB-IGBT 和1200 V IGBT+FWD 的芯片输出特性
图5  900 V RB-IGBT 和1200 V IGBT+FWD 的芯片输出特
因此富士电机在太阳能发电领域为适应DC 母线电压1000 V 需求而开发出900 V RB-IGBT。图5 表示IGBT模块额定电流为450 A 时的900 V RB-IGBT 与1200 VIGBT+FWD 的芯片输出特性。900 V RB-IGBT 的导通电压与1200 V IGBT+FWD 相比,可降低30%。
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