宮敏

摘 要：當(dāng)應(yīng)用多個(gè)小電流絕緣柵的雙級(jí)型晶體管模塊時(shí)，能夠進(jìn)行直接并聯(lián)，這也是大功率光伏網(wǎng)逆変器設(shè)計(jì)最為常規(guī)的應(yīng)對(duì)方法。在多數(shù)IGBT模塊并聯(lián)應(yīng)用下，模塊之間的輸出均流問(wèn)題就成為了設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。而且，此問(wèn)題也是決定逆變器可否長(zhǎng)久平穩(wěn)運(yùn)行的重要因素?；诟C流場(chǎng)角度，深入分析多個(gè)IGBT模塊在應(yīng)用較長(zhǎng)交流銅排并聯(lián)時(shí)，銅排空間結(jié)構(gòu)影響模塊并聯(lián)均流的實(shí)際原因，并進(jìn)一步針對(duì)IGBT模塊并聯(lián)均流轉(zhuǎn)化為電路問(wèn)題進(jìn)行解析，提出有關(guān)功率模塊并聯(lián)均流的電路模型。

關(guān)鍵詞：交流銅排;均流;絕緣柵雙級(jí)型晶體管

引言

伴隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變器的容量也在逐漸擴(kuò)大，但是電力電子逆變裝置的核心器件IGBT的功率模塊單只電流容量卻變的極為有限。一旦并聯(lián)IGBT模塊數(shù)量增多時(shí)，考慮到散熱，模塊的整體布局也會(huì)相對(duì)分散，這就需要更長(zhǎng)的交流銅排在可以將模塊的交流輸出端有效并聯(lián)起來(lái)，如果交流銅排的長(zhǎng)度與尺寸較大時(shí)，銅排的空間結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)IGBT模塊的并聯(lián)均流產(chǎn)生極為明顯的影響效果。根據(jù)交流銅排空間結(jié)構(gòu)影響模塊均流的因素為基礎(chǔ)，提出有關(guān)模塊并聯(lián)均流的電路模式設(shè)計(jì)，這樣能夠更具優(yōu)勢(shì)的協(xié)助交流銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1 IGBT模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)應(yīng)用

面向處于中等功率階級(jí)的光伏并網(wǎng)逆變器而言，如果幾個(gè)零散的IGBT模塊處于非常緊湊的狀態(tài)，并聚集在一起時(shí)，可以通過(guò)短接銅排將現(xiàn)有模塊的交流輸出端有效并連在一起，這樣就能夠滿足逆變器所輸出電流的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。而對(duì)于緊湊型的并聯(lián)結(jié)構(gòu)交流，銅排尺寸一般很小，并且結(jié)構(gòu)較為容易產(chǎn)生對(duì)稱，而對(duì)IGBT并聯(lián)均流的影響并不突出。在幾個(gè)并聯(lián)子單元做出更為復(fù)雜的并聯(lián)時(shí)，需要考慮散熱情況與各種結(jié)構(gòu)原因，各個(gè)子單元設(shè)計(jì)布局會(huì)相對(duì)分散。所以交流銅排就會(huì)呈現(xiàn)出較長(zhǎng)的狀態(tài)，并且整個(gè)空間結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，銅排也產(chǎn)生了較大的阻抗，面對(duì)這樣的現(xiàn)象，銅排結(jié)構(gòu)不合理就會(huì)導(dǎo)致銅牌結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象。一旦單臺(tái)逆變器功率上升到1.25mw時(shí)，IGBT模塊并聯(lián)子單元就需要展開(kāi)二級(jí)并聯(lián)，如果設(shè)計(jì)與應(yīng)用不合理，均流度小于5%的標(biāo)準(zhǔn)，就會(huì)存在極為嚴(yán)重的均流問(wèn)題。

2 ?交流銅排結(jié)構(gòu)影響并聯(lián)均流的本質(zhì)原因

2.1交變電流分布和導(dǎo)體空間結(jié)構(gòu)相關(guān)

有關(guān)光伏并網(wǎng)逆變器來(lái)說(shuō)，主要輸出是Hz的工頻正弦電流。按照電磁場(chǎng)的相關(guān)理論，在良導(dǎo)體結(jié)構(gòu)中，紫外線以下頻段均可以忽略位移電流，在導(dǎo)體中，一旦忽略了位移電流，電磁場(chǎng)就會(huì)處于一種磁準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)的環(huán)境中，工頻電流在銅排內(nèi)的分布狀況，基本屬于磁準(zhǔn)靜態(tài)范圍。電流面向載流導(dǎo)體的分布情況也具有兩個(gè)規(guī)律，一個(gè)為鄰近效應(yīng)，另外一個(gè)則是集膚效應(yīng)。

2.2載流導(dǎo)體周?chē)慕饘賹?duì)電流分布影響

如果截流導(dǎo)體周?chē)嬖诮饘贂r(shí)，交變電力滋生的時(shí)變磁場(chǎng)就會(huì)在金屬中感應(yīng)到渦流，渦流也會(huì)引發(fā)磁場(chǎng)效應(yīng)，當(dāng)此磁場(chǎng)反應(yīng)過(guò)來(lái)時(shí)，就會(huì)影響截流導(dǎo)體內(nèi)的電流分布狀況。

在相對(duì)實(shí)際的逆變器結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬外殼或者是金屬箱體是不可忽視的重要組成部分，這些金屬板一般就會(huì)分布在截流導(dǎo)體或者是交流銅排的周?chē)?。正是因?yàn)榻饘侔宓拇嬖?，才?huì)促使銅排內(nèi)的交變電流分布更加復(fù)雜，面對(duì)這樣的情況，但要考慮銅排自身的空間結(jié)構(gòu)，還有細(xì)致的考慮銅排周?chē)鷮?duì)金屬板所產(chǎn)生的諸多影響。這也為銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的難度。所以，最佳方案就是應(yīng)用交流銅排來(lái)遠(yuǎn)離金屬板或者是相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)器件。

3 IGBT模塊并聯(lián)電路模型

3.1變流銅排寄生參數(shù)提取原理

實(shí)際而言，IGBT并聯(lián)均流一般只注重了單個(gè)銅排內(nèi)部的電流分布情況，正是因?yàn)檫@樣，能夠?qū)⒁粋€(gè)銅排等效劃分為簡(jiǎn)便的電阻串聯(lián)電感模式。這是由于銅排電感與電阻都是通過(guò)銅排自身不能忽視的空間結(jié)構(gòu)所導(dǎo)入的，所以他們屬于寄生電感與寄生電阻。

3.2應(yīng)用較長(zhǎng)銅排IGBT模塊并聯(lián)電路模型

在以2個(gè)半橋模塊的并聯(lián)為例下，等效電路模型的3個(gè)半橋模塊交流銅排寄生電阻，會(huì)分別在半橋模塊的交流銅排匯聚點(diǎn)產(chǎn)生寄生電感，這3個(gè)交流銅排每?jī)蓚€(gè)相連就會(huì)有所感應(yīng)。在每個(gè)支路上還會(huì)形成阻抗，排除銅排引入的寄生電阻與寄生電感之外，還存在IGBT模塊本身攜帶的阻抗。

在應(yīng)用電磁場(chǎng)仿真軟件時(shí)，可以根據(jù)情況模擬建立一個(gè)實(shí)際1.25MW逆變器的中交流銅排3D模型，其激勵(lì)電流的頻率為50hz。因?yàn)榻亓鲗?dǎo)體周?chē)饘侔鍟?huì)為截流導(dǎo)體磁場(chǎng)分布產(chǎn)生強(qiáng)烈的英雄，所以在模型內(nèi)部融入了交流銅排的金屬板，環(huán)繞在四周，這些金屬板作為逆變器實(shí)際運(yùn)行箱體結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要組成部分，其材質(zhì)以Q235材料為主。在以仿真所獲得的3個(gè)交流銅排寄生電感矩陣下，其反震出來(lái)的3個(gè)銅排寄生電阻分別是98?、74?、50?。

3.3優(yōu)化改進(jìn)方案

有效獲取到IGBT模塊均流內(nèi)的電路模型，按照匹配的阻抗，促使每個(gè)支路阻抗能夠優(yōu)化改進(jìn)到相同的基本思路中，在阻抗很小的支路上增添阻抗，如此就能夠有效改變均流。如果是在銅排結(jié)構(gòu)中套用磁芯，是增添銅排感抗最為簡(jiǎn)便的方式。

結(jié)束語(yǔ)：綜上所述，在大功率逆變器結(jié)構(gòu)中，IGBT模塊會(huì)應(yīng)用較長(zhǎng)的交流銅排并聯(lián)，銅排空間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，就會(huì)使模塊并聯(lián)產(chǎn)生不均流的現(xiàn)象。因此，交流銅排的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須要以對(duì)稱為基本原則，并對(duì)IGBT模塊并聯(lián)均流電路模型展開(kāi)細(xì)致分析與設(shè)計(jì)，從各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)及分析研究下，能夠體現(xiàn)出模塊并聯(lián)均流電路模型基本準(zhǔn)確。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬建林，王莉，阮立剛.基于SiC MOSFET的多芯片并聯(lián)功率模塊不均流研究[J].電源學(xué)報(bào)，2019，17（04）：193-200.

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