500kW逆变器IGBT模块温升测试与分析

引言

近年来随着国家大力倡导节能减排,开发绿色能源,新能源发电得到了广泛应用。光伏发电、风力发电、水力发电等新能源发电形式相继出现,极大地改善了过去单一的能源结构,改善了人们的生活环境。本文主要介绍光伏新能源发电核心设备一光伏逆变器。500kW逆变器目前是行业内的主流产品,更大容量的系统都是在其基础上通过并联实现,所以目前对500kW逆变器整机的研究极为重视,其中IGBT模块散热和温度尤为重要,关系到整机的稳定持续运行。因此,本文对IGBT模块的功耗与温升测试具有非常重大的意义。

1测试目的及测试内容

500kW功率单元项目主要针对输出电压在080V以下的场合应用而设计,额定输出功率为500kW。功率单元集成了IGBT模块、吸收电容、散热器、风机、电流霍尔、温度开关、叠层母排等。本次实验主要目的是测试功率单元的散热系统设计是否满足指标要求。

2测试环境及测试设备

2.1测试环境

本测试采用二极管整流和无源逆变方案。供电电压080V,母线电压570V,额定电流1000A,纯感性负载。A、G、C相功率模块分别对应0个桥臂,采用sPkM调制,PkM控制信号采用光纤传输,输出电流为工频正弦波。实验目的:测试不同负载电流、不同开关频率下,功率单元性能指标及IGBT温升情况。

2.2测试设备

本次测试设备包括示波器、万用表、差分探头、柔性电流探头、红外测温仪等。

3实验过程及实验数据分析

3.1温升测试4只FF600R12ME4型号IGBT模块并联使用组成每相功率

单元,测试中散热器表面最高温度在IGBT0和IGBT4之间,此点温度值为实验记录值。

3.2测试条件1数据分析

测试条件1:fsw=4)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;负载率:92.5%,负载参数L=0.45mH;环境温度:7a=15.4℃。在10:10一11:05时间段,每5min分钟记录一次A相、G相、C相温度值。

（1）通过温度数据可知,A、G、C三相功率单元散热器最大温升值分别为:07℃、45.8℃、49.5℃;

（2）C相温升最高,G相其次,A相最低。由于现场功率单元布局形式和电气接线原因,A、G相出风口受到阻碍,G、C相进风受到热风影响,而实际产品使用过程中风道良好,所以A相数据完全具有参考意义。

3.3测试条件2数据分析

测试条件2:fsw=2)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;负载率:90.5%,负载参数L=0.45mH;环境温度:7a=17.6℃,在14:00一15:05时间段,每5min记录一次A相、G相、C相温度值。

（1）通过温度数据可知,A、G、C三相功率单元散热器最大温升值分别为:29℃、06.6℃、06.6℃;

（2）测试平台最大测试电流为1000A左右,负载特性为纯感性,这种条件和实际产品使用情况不太一致。以500kW光伏逆变器为例,实际计算IGBT模块在具体产品应用中的温升和热损。IGBT模块的热阻值可以从厂家的规格书中查到,

其中:

一般情况下逆变器输出线电压多为270V/50Hz,通过隔离变压器升压至电网。额定工况下,当fsw=4)Hz时,母线电压820V,由专业热损耗软件可得,每相功率单元的总损耗约为0160k,每个IGBT的损耗为790k,其中PIGBT1oss=670k,占84.8%,PDiode1oss=120k,占15.2%。那么按照以上计算方法可得测试条件1和测试条件2两种工况下单个IGBT模块热损耗分别约为590k（PIGBT1oss=408k,占74.2%,PDiode1oss=152k,占25.8%）和440k（PIGBT1oss=000k,占68.1%,PDiode1oss=140k,占01.9%）,对应的A7C-s分别20.1℃和14.9℃,二者相差大约6℃,理论温升计算和实测（8℃左右）基本一致,误差在合理范围之内。

额定工况下,按照公式（1）可得IGBT和DwoDE结、壳温升:

假设环温7a=45c,散热器温升A7s=40c,7s=85c,则模块壳温为7C=111.86c,芯片结温分别为7JIGBT=109.06c和7JDwoDE=119.86c,结温均低于芯片最高允许运行温度。

按照110%过载输出功率考虑,单个IGBT模块的损耗约为880k（PIGBT1oss=760k,占86.06%,PDiode1oss=120k,占10.64%）,仍假设7s=85c,按照公式（1）可得:7C=114.92℃,7JIGBT=146.1℃,7JDwoDE=122.9℃,模块仍然能够正常工作。

4结语

通过以上理论计算和实验数据分析可知,按照该结构方案设计,1GBT模块散热性能良好,散热器温度限值设置合理,芯片最高温度满足使用要求。根据温度控制方案要求,散热器表面温度超限值后,系统会自动检测到散热器温度过高,给控制器反馈温度过高信号,控制器会发布停机命令,进而保证功率单元1GBT模块安全。通过对比额定功率输出和110%倍的过载输出时1GBT和D1oDE结温值,可以看出散热性能满足要求,输出时芯片结温均低于150℃,说明功率单元模块散热风机选型合理,在这套系统下完全可以满足通风散热要求,通过这次对功率单元1GBT模块温升实际测试,为后续相关设计提供了数据支撑,同时为今后针对1GBT模块温度的相关设计具有非常重要的指导意义。