引言

近年來隨著國家大力倡導節(jié)能減排,開發(fā)綠色能源,新能源發(fā)電得到了廣泛應(yīng)用。光伏發(fā)電、風力發(fā)電、水力發(fā)電等新能源發(fā)電形式相繼出現(xiàn),極大地改善了過去單一的能源結(jié)構(gòu),改善了人們的生活環(huán)境。本文主要介紹光伏新能源發(fā)電核心設(shè)備一光伏逆變器。500kW逆變器目前是行業(yè)內(nèi)的主流產(chǎn)品,更大容量的系統(tǒng)都是在其基礎(chǔ)上通過并聯(lián)實現(xiàn),所以目前對500kW逆變器整機的研究極為重視,其中IGBT模塊散熱和溫度尤為重要,關(guān)系到整機的穩(wěn)定持續(xù)運行。因此,本文對IGBT模塊的功耗與溫升測試具有非常重大的意義。

1測試目的及測試內(nèi)容

500kW功率單元項目主要針對輸出電壓在080V以下的場合應(yīng)用而設(shè)計,額定輸出功率為500kW。功率單元集成了IGBT模塊、吸收電容、散熱器、風機、電流霍爾、溫度開關(guān)、疊層母排等。本次實驗主要目的是測試功率單元的散熱系統(tǒng)設(shè)計是否滿足指標要求。

2測試環(huán)境及測試設(shè)備

2.1測試環(huán)境

本測試采用二極管整流和無源逆變方案。供電電壓080V,母線電壓570V,額定電流1000A,純感性負載。A、G、C相功率模塊分別對應(yīng)0個橋臂,采用sPkM調(diào)制,PkM控制信號采用光纖傳輸,輸出電流為工頻正弦波。實驗?zāi)康?測試不同負載電流、不同開關(guān)頻率下,功率單元性能指標及IGBT溫升情況。

2.2測試設(shè)備

本次測試設(shè)備包括示波器、萬用表、差分探頭、柔性電流探頭、紅外測溫儀等。

3實驗過程及實驗數(shù)據(jù)分析

3.1溫升測試4只FF600R12ME4型號IGBT模塊并聯(lián)使用組成每相功率

單元,測試中散熱器表面最高溫度在IGBT0和IGBT4之間,此點溫度值為實驗記錄值。

3.2測試條件1數(shù)據(jù)分析

測試條件1:fsw=4)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;負載率:92.5%,負載參數(shù)L=0.45mH;環(huán)境溫度:7a=15.4℃。在10:10一11:05時間段,每5min分鐘記錄一次A相、G相、C相溫度值。

（1）通過溫度數(shù)據(jù)可知,A、G、C三相功率單元散熱器最大溫升值分別為:07℃、45.8℃、49.5℃;

（2）C相溫升最高,G相其次,A相最低。由于現(xiàn)場功率單元布局形式和電氣接線原因,A、G相出風口受到阻礙,G、C相進風受到熱風影響,而實際產(chǎn)品使用過程中風道良好,所以A相數(shù)據(jù)完全具有參考意義。

3.3測試條件2數(shù)據(jù)分析

測試條件2:fsw=2)Hz,vdc=570V,Iout=1000A;負載率:90.5%,負載參數(shù)L=0.45mH;環(huán)境溫度:7a=17.6℃,在14:00一15:05時間段,每5min記錄一次A相、G相、C相溫度值。

（1）通過溫度數(shù)據(jù)可知,A、G、C三相功率單元散熱器最大溫升值分別為:29℃、06.6℃、06.6℃;

（2）測試平臺最大測試電流為1000A左右,負載特性為純感性,這種條件和實際產(chǎn)品使用情況不太一致。以500kW光伏逆變器為例,實際計算IGBT模塊在具體產(chǎn)品應(yīng)用中的溫升和熱損。IGBT模塊的熱阻值可以從廠家的規(guī)格書中查到,

其中:

一般情況下逆變器輸出線電壓多為270V/50Hz,通過隔離變壓器升壓至電網(wǎng)。額定工況下,當fsw=4)Hz時,母線電壓820V,由專業(yè)熱損耗軟件可得,每相功率單元的總損耗約為0160k,每個IGBT的損耗為790k,其中PIGBT1oss=670k,占84.8%,PDiode1oss=120k,占15.2%。那么按照以上計算方法可得測試條件1和測試條件2兩種工況下單個IGBT模塊熱損耗分別約為590k（PIGBT1oss=408k,占74.2%,PDiode1oss=152k,占25.8%）和440k（PIGBT1oss=000k,占68.1%,PDiode1oss=140k,占01.9%）,對應(yīng)的A7C-s分別20.1℃和14.9℃,二者相差大約6℃,理論溫升計算和實測（8℃左右）基本一致,誤差在合理范圍之內(nèi)。

額定工況下,按照公式（1）可得IGBT和DwoDE結(jié)、殼溫升:

假設(shè)環(huán)溫7a=45c,散熱器溫升A7s=40c,7s=85c,則模塊殼溫為7C=111.86c,芯片結(jié)溫分別為7JIGBT=109.06c和7JDwoDE=119.86c,結(jié)溫均低于芯片最高允許運行溫度。

按照110%過載輸出功率考慮,單個IGBT模塊的損耗約為880k（PIGBT1oss=760k,占86.06%,PDiode1oss=120k,占10.64%）,仍假設(shè)7s=85c,按照公式（1）可得:7C=114.92℃,7JIGBT=146.1℃,7JDwoDE=122.9℃,模塊仍然能夠正常工作。

4結(jié)語

通過以上理論計算和實驗數(shù)據(jù)分析可知,按照該結(jié)構(gòu)方案設(shè)計,1GBT模塊散熱性能良好,散熱器溫度限值設(shè)置合理,芯片最高溫度滿足使用要求。根據(jù)溫度控制方案要求,散熱器表面溫度超限值后,系統(tǒng)會自動檢測到散熱器溫度過高,給控制器反饋溫度過高信號,控制器會發(fā)布停機命令,進而保證功率單元1GBT模塊安全。通過對比額定功率輸出和110%倍的過載輸出時1GBT和D1oDE結(jié)溫值,可以看出散熱性能滿足要求,輸出時芯片結(jié)溫均低于150℃,說明功率單元模塊散熱風機選型合理,在這套系統(tǒng)下完全可以滿足通風散熱要求,通過這次對功率單元1GBT模塊溫升實際測試,為后續(xù)相關(guān)設(shè)計提供了數(shù)據(jù)支撐,同時為今后針對1GBT模塊溫度的相關(guān)設(shè)計具有非常重要的指導意義。