320kW組串式光伏逆變器的IGBT模塊解決方案研究

孫敦虎，馬嗣超，陳立烽

(1.英飛凌科技資源中心(上海)有限公司，上海 201210； 2.英飛凌科技股份有限公司，瓦爾斯泰因 59597)

0 引言

在發電成本不斷降低的大趨勢下，光伏發電作為新能源發電的最重要組成部分，其持續的降本增效是技術趨勢。光伏逆變器在光伏發電系統中發揮著至關重要的作用，近年來保持著不斷的技術革新。從2019年全球第1 臺可應用于1500 V 光伏發電系統的225 kW 組串式光伏逆變器發布，僅2年的時間，全球最大的組串式逆變器功率問世，達320 kW。絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)模塊作為光伏逆變器的核心器件，其技術的進步和革新極大程度助力了逆變器功率持續提升。為應對高功率密度的技術趨勢，本文針對320 kW 組串式光伏逆變器，提出了基于全新的EasyPACK 4B 封裝技術的IGBT 模塊方案，并通過理論闡述和仿真試驗，對該方案進行驗證。

1 320 kW 組串式光伏逆變器IGBT 模塊

典型的光伏發電系統結構示意圖如圖1所示，圖中：IDC為光伏組件的輸出電流。光伏逆變器的主要功能是將光伏組件波動的直流電轉變為與電網電壓同相位同頻率的交流電。根據電路結構不同，可將組串式光伏逆變器的功率單元分為升壓單元(DC/DC)和逆變單元(DC/AC)。升壓單元用于實現光伏組件的最大功率點跟蹤(MPPT)。根據光伏組件的連接方式及逆變器的功率等級不同，升壓單元包括1 路MPPT 或多路MPPT。逆變單元用于將直流電壓轉換為工頻的并網電壓，最后通過隔離變壓器并入電網[1]。多路MPPT 通過并聯可以滿足任何需求的功率，最終決定逆變器功率等級的是逆變器的功率模塊的輸出能力，而本文介紹的功率模塊正是具有此用途的模塊，即IGBT 模塊。

圖1 光伏發電系統結構示意圖Fig.1 Structure diagram of PV power generation system

組串式光伏逆變器的逆變單元一般采用定制化的功率模塊方案，即由不同芯片構成的開關器件通過模塊內部的銅箔及鍵合線連接成特定的電路拓撲結構。針對1500 V 光伏發電系統，基于三電平，目前較為常用的拓撲結構主要有中點鉗位1 (NPC1)、中點鉗位2(NPC2)和有源中點鉗位 (ANPC)拓撲結構。1500 V 光伏發電系統用組串式光伏逆變器的主要拓撲結構如圖2所示[2-3]。

圖2 1500 V 光伏發電系統用組串式光伏逆變器的主要拓撲結構[2-3]Fig.2 Main topology structure of string PV inverter for 1500 V PV power generation system[2-3]

此外，隨著對體積和功率密度的要求逐步提高，組串式光伏逆變器的功率模塊需要工作在更高的開關頻率下。由于高頻器件的開關速度較快，因此，器件在關斷過程中的過電壓ΔV也就會越大。這會給逆變器功率模塊的設計帶來很大挑戰。器件在關斷過程中的過電壓可表示為：

式中：L為換流回路的雜散電感；為關斷時電流的變化率，其中，i為電流，t為時間。

根據式(1)可知，降低換流回路的雜散電感是個很好的抑制關斷過程中過電壓的方法。以EasyPACK 技術封裝的模塊，所有端子出針都盡可能靠近芯片引出，封裝內部的雜散電感較低。在封裝外部，印刷電路板(PCB)可以根據疊層母排原理的布局方式來抑制雜散電感[4]。此外，EasyPACK 封裝出針靈活，特別適合較為復雜的拓撲結構。因此，EasyPACK 封裝非常適用于組串式光伏逆變器[5-6]。本文中320 kW 組串式光伏逆變器的功率模塊采用的就是EasyPACK 4B封裝技術，內部包括3個直接銅鍵合基板(DCB)，相較于EasyPACK 3B 封裝可增加約50%的功率。

2 模塊拓撲結構的選擇和芯片的配置

基于950 V 芯片的ANPC 和NPC1拓撲結構被認為是1500 V 光伏發電系統用光伏逆變器的主流拓撲結構。NPC1拓撲結構的開關器件數量較少，控制簡單，使用方便。而ANPC 拓撲結構雖然器件數量較多，但調制策略和換流路徑靈活，損耗分布均勻[7]。由于跨DCB 換流會帶來很大的雜散電感，對于包含多個DCB 的模塊封裝技術，換流回路的設計十分關鍵。在不同調制方式下ANPC 拓撲結構具有不同的換流路徑，從而給予了模塊換流回路設計更多的自由度。綜上所述，320 kW 組串式光伏逆變器的逆變電路推薦采用ANPC 拓撲結構，其示意圖如圖3所示。圖中：T1、T4為ANPC 拓撲結構外部的IGBT，T2、T3為ANPC 拓撲結構內部的IGBT，T5、T6為ANPC 拓撲結構的鉗位管，D1～D6是與T1～T6對應的反并聯二極管。

圖3 ANPC 拓撲結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of ANPC topology structure

ANPC 拓撲結構作為一種在1500 V 光伏發電系統用光伏逆變器上廣泛使用的拓撲結構，可以基于不同的芯片特性預定義最適合的調制方式；或者可以基于不同的調制方式，選擇最匹配的芯片組合[8]。T1～T6的PWM 策略示意圖如圖4所示。

圖4 T1～T6 的PWM 策略示意圖Fig.4 Schematic diagram of PWM strategy for T1～T6

IGBT 芯片的選擇極為關鍵，會直接影響逆變器的效率及功率密度，因此是模塊定制時的主要工作之一。母線電壓600 V、IGBT 結溫150 ℃的測試條件下幾款典型芯片的折衷特性點如圖5所示。IGBT 的飽和壓降代表導通損耗。理論上來說，代表芯片特性的點越靠近坐標軸原點，說明芯片的特性越優良，損耗也越接近理想開關。

圖5 600 V、150 ℃測試條件下幾款典型芯片的折衷特性點Fig.5 Compromise characteristics of several typical chips under 600 V and 150 ℃ test conditions

從圖5可以看出：IGBT 采用950V S7 和950V L7 芯片時的特性明顯優于其采用1200V H3 和1200V T4 芯片時的特性；并且相對于950V L7 芯片，IGBT 采用950V S7 芯片時的關斷損耗更低，但采用950V L7 芯片時的導通損耗更低。因此，950V S7 芯片適用于高頻工況，950V L7適用于低頻工況[9]。

從圖5可以看出，IGBT 采用950V S7 和950V L7 芯片時的特性明顯優于采用1200V H3和1200V T4 芯片時的特性；并且相對于950V L7 芯片，IGBT 采用950V S7 芯片時的關斷損耗更低，但采用950V L7 芯片時的導通損耗更低。因此，950V S7 芯片適用于高頻工況，950V L7適用于低頻工況[9]。

320 kW 組串式光伏逆變器中IGBT 模塊可選用芯片的規格與類型如表1所示。

表1 320 kW 組串式光伏逆變器中IGBT 模塊可選用芯片的規格與類型Table 1 Specifications and types of chips available for IGBT modules in 320 kW string PV inverter

基于圖3中的ANPC 拓撲結構和芯片特性，推薦采用“四快兩慢”的調制方式，即T1、T4、T5、T6高頻動作，T2、T3工頻動作。為使逆變器達到最優效率，在晶圓選擇上T1、T4、T5、T6處采用了高頻特性好的950V S7 芯片，T2、T3處采用了低頻特性好的950V L7 芯片。最重要的是，D5、D6處采用SiC 肖特基二極管，因為此種二極管幾乎無反向恢復電流，可以極大降低T1、T4開通時的過電流，從而降低IGBT 導通損耗。

I GBT 開通時，其與SiC 肖特基二極管和Si二極管換流時形成的集電極發射極電壓Vce-t曲線、集電極電流Ic-t曲線示意圖如圖6所示。圖中：淺藍色和深藍色曲線分別代表IGBT 與SiC肖特基二極管換流后形成的Vce-t、Ic-t曲線，淺灰色和深灰色曲線分別代表IGBT 與Si 二極管換流后形成的Vce-t、Ic-t曲線，Qrr為IGBT 與Si 二極管換流時產生的反向恢復電荷，Qc為IGBT 與SiC 換流時產生的反向恢復電荷。

圖6 IGBT 開通時，其與SiC 肖特基二極管和Si 二極管換流時形成的Vce-t 曲線、Ic-t 曲線示意圖Fig.6 When IGBT is turned on，Vce-t curve and Ic-t curve formed when it is commutating with SiC schottky diode and Si diode

從圖6可以看出：IGBT 與SiC 肖特基二極管換流時產生的反向恢復電荷較小，這說明IGBT 與SiC 肖特基二極管換流時產生的導通損耗更低。對于光伏逆變器而言，T1、T4是損耗最大的器件，同時也是決定逆變器功率等級的邊界條件。因此，SiC 肖特基二極管的應用有助于實現逆變器更大的單機功率。另外，SiC 肖特基二極管本身幾乎沒有反向恢復損耗，可以進一步提高逆變器的整機能量轉換效率。綜上所述，SiC 肖特基二極管的使用既增加了逆變器的功率密度，又提高了逆變器的能量轉換效率。

3 2 種封裝技術的方案對比

本文對EasyPACK 3B 和EasyPACK 4B 這2 種封裝技術方案進行對比。一般來說，EasyPACK 3B 封裝技術僅可以使逆變器實現225 kW 的輸出功率，該功率也是2019年之前組串式光伏逆變器的最大額定功率。為了實現320 kW 這一目前行業內最大的功率，采用2個EasyPACK 3B 模塊拼接成一個逆變橋臂是個可行的方案。在模塊設計時，芯片的布局及換流回路的選擇很關鍵，一個重要的原則是盡量避免跨DCB 換流。因為通過鍵合線進行跨DCB 換流，會導致雜散電感的大幅增加。過大的雜散電感會導致器件過壓損壞并會增加開關損耗，從而使模塊的性能大幅降低[10]。

3.1 EasyPACK 3B 雙拼封裝方案

根據輸出電壓和輸出電流的相位，將光伏逆變器的所有工況分為4個工作象限，為了實現DCB 內部換流，將ANPC 拓撲結構拆分在4個DCB 上，ANPC 拓撲各器件編號和各端口命名，以及每個DCB 上芯片的分布及換流路徑如圖7所示。基于“四快兩慢”的調制方式，在第一象限(輸出電壓和輸出電流均為正向)時，輸出正電平時輸出電流路徑如圖7b中深灰色箭頭所示，而輸出零電平時電流路徑如圖7b 中的淺灰色箭頭所示，因此，換流發生在T1與D5之間。在第四象限(輸出電壓為正，輸出電流為負)，此時是在D1和T5之間換流。在第二、三象限時，換流始終發生在T4與D6、T6與D4之間。由此可知，得益于ANPC 靈活的調制方式，無論何種工作模式，該功率模塊都可以實現DCB 內部換流[10-11]。

圖7 ANPC 拓撲各器件編號和各端口命名，以及EasyPACK 3B 雙拼方案下的芯片布局與換流路徑Fig.7 Numbering of components and naming of ports in ANPC topology，as well as chip layout and commutation path under EasyPACK 3B double combination scheme

采用EasyPACK 3B 雙拼方案時，光伏逆變器4個工作象限的輸出電壓與輸出電流曲線如圖8所示。

圖8 采用EasyPACK 3B 雙拼方案時，光伏逆變器4個工作象限的輸出電壓與輸出電流曲線Fig.8 When EasyPACK 3B double combination scheme is adopted，output voltage and output current curves of four working quadrants of PV inverter

為了實現DCB 內部換流，光伏逆變器設計時需將參與換流的芯片都放在同一個DCB 中，但這會導致2個DCB 的有效面積被完全占用，并沒有實現通過增加芯片而增加輸出功率的效果。與此同時，另外2個DCB 的利用率卻很低。這就存在一個矛盾：利用率高的DCB 限制了最大輸出功率，利用率低的DCB 即便放入更多芯片也無法增加輸出功率。此外，拼接方案在應用上也比較困難。采用EasyPACK 3B 封裝雙拼方案的光伏逆變器內部結構圖如圖9所示，該方案逆變器采用了6個IGBT 模塊，PCB 布局和結構散熱設計的難度都會很大。

圖9 采用EasyPACK 3B 封裝雙拼方案的光伏逆變器內部結構Fig.9 Internal structure of PV inverter with EasyPACK 3B double combination scheme

3.2 EasyPACK 4B 封裝方案

光伏逆變器最理想的封裝方案是單個功率模塊采用整個ANPC 拓撲結構，從而單個模塊就可以實現一個逆變橋臂。這種方案下逆變側僅需要3個IGBT 模塊，如圖10所示。該方案使用模塊的數量僅僅是EasyPACK 3B 雙拼方案的一半，既可以有效降低物料成本和生產成本，還可以減輕重量和提高功率密度。

圖10 采用EasyPACK 4B 封裝方案的光伏逆變器內部結構Fig.10 Internal structure of PV inverter with EasyPACK 4B packaging scheme

EasyPACK 4B 封裝方案很好地解決了1個EasyPACK 3B 不足，2個EasyPACK 3B 利用率不高并且結構設計復雜的問題。在采用EasyPACK 4B 封裝方案時，ANPC 拓撲結構中芯片和二極管在3個DCB 的布局及換流路徑如圖11所示。圖中，虛線部分為換流路徑。

圖11 EasyPACK 4B 封裝方案下ANPC 拓撲結構中芯片和二極管在3個DCB 的布局及換流路徑Fig.11 Layout and commutation path of chips and diodes in three DCBs in ANPC topology structure under EasyPACK 4B packaging scheme

從圖11可以看出：T1、T5、D1、D5在左側的DCB，T4、T6、D4、D6在右側的DCB，T2、T3、D2、D3在中間的DCB；在逆變器運行的各個工況下，換流都是在同一個DCB 內進行。

4 EasyPACK 4B 封裝結構設計

EasyPACK 4B 封裝成品圖如圖12所示，EasyPACK 4B 延承了EasyPACK 封裝出針靈活、內部雜散電感小的優勢。

圖12 EasyPACK 4B 封裝成品圖Fig.12 Photo of EasyPACK 4B packaging finished product

EasyPACK 4B 封裝成品的結構如圖13所示，可以看出該封裝成品主要包括3個獨立的DCB、一體化的內部框架、外殼這3 部分。

圖13 EasyPACK 4B 封裝成品的結構Fig.13 Structure of EasyPACK 4B packaging finished product

EasyPACK 4B 封裝成品的外殼與內部框架的結構設計如圖14所示。該封裝成品的內部框架通過巧妙的結構設計保證了安裝壓力可以均勻地釋放在3個DCB 上。并且，外殼上的弓補償器可以保證DCB 很好地被壓在散熱器上。最后，外殼材料的彈簧效應可以保證安裝后模塊和散熱器之間達到預定義的壓力值。綜上所述，EasyPACK 4B 封裝技術可以極大程度降低芯片到散熱器的熱阻，從而盡可能提高IGBT 模塊的輸出功率。

圖14 EasyPACK 4B 封裝成品的外殼與內部框架的結構設計Fig.14 Structural design of shell and internal frame of EasyPACK 4B packaging finished products

5 IGBT 損耗和效率仿真結果

為了驗證采用ANPC 拓撲結構的IGBT 模塊的效率和輸出功率，根據模塊的雙脈沖測試數據，基于PLECS 仿真軟件搭建了模塊內部所有器件的損耗模型和熱阻模型；并在仿真軟件中基于空間矢量脈寬調制(SVPWM)方式對模塊的損耗和芯片結溫進行仿真。仿真條件是1500 V 光伏發電系統典型的應用工況，該工況下參數的取值如表2所示。

表2 1500 V 光伏發電系統典型的應用工況下IGBT 模塊參數的取值Table 2 Parameter value of IGBT module under typical application conditions of 1500 V PV power generation system

在額定功率為320 kW 和過載功率為352 kW這2 種情況下，對功率因數FP分別取0.8 和1.0時IGBT 模塊中不同器件的損耗進行仿真，仿真結果如圖15所示。

圖15 不同工況下IGBT 模塊中不同器件的損耗Fig.15 Loss of different components in IGBT module under different working conditions

從圖15可以看出：在功率因數為1 時，T1的損耗最大，因此，T1的最高工作結溫決定著逆變器的最大功率。與此同時，功率因數為0.8 是總損耗最大的工況，因此，功率因數為0.8 是逆變器整機散熱能力的設計邊界。

除了損耗外，IGBT 模塊的效率及最大運行結溫也是重要的考核因素。4個工況下的IGBT模塊效率對比及溫度最高芯片的運行結溫Tvj_op仿真結果如圖16所示，仿真是基于固定散熱器溫度85 ℃。

從圖16可以看到：4個工況下IGBT 模塊的效率都在99%以上。值得一提的是，該效率僅是常規的SVPWM 下的效率，如果采用斷續脈寬調制 (DPWM)，效率可以進一步提高[12]；4個工況下，IGBT 模塊溫度最高芯片的運行結溫均不高于該模塊芯片允許的最高運行結溫150℃；并且在IGBT 模塊額定功率下，運行結溫還有一定的安全余量。同理，如果可以采用損耗更低的DPWM 調制方式，運行結溫可以進一步降低。

圖16 4個工況下的IGBT 模塊效率對比及溫度最高芯片的運行結溫仿真結果Fig.16 Comparison of IGBT module efficiency and simulation results of operating junction temperature of chip with the highest temperature under four working conditions

6 結論

本文介紹了一種可應用于320 kW 組串式光伏逆變器的IGBT 模塊方案，從芯片配置、封裝結構、損耗和效率角度對該模塊詳細介紹，并對EasyPACK 4B 封裝方案和EasyPACK 3B 雙拼封裝方案進行對比。仿真結果表明：EasyPACK 4B封裝方案在逆變器功率密度、IGBT 效率及散熱上具有優勢，這主要得益于第7 代950V IGBT7和SiC 肖特基二極管的優良特性，該IGBT 模塊的效率可以達到99%以上，同時得益于新的封裝技術——EasyPACK 4B 的使用，該模塊方案將逆變器單機功率推進到新的高度。