上能电气采用英飞凌IGBT7 EconoDUAL™3实现单机2MW储能变流器

作者简介

上能电气股份有限公司 储能开发部副经理 周立冬

英飞凌工业与基础设施业务 大中华区应用工程师 何通

英飞凌的TRENCHSTOP IGBT7，作为新一代IGBT技术的璀璨明珠，是大功率储能变流器PCS技术升级的推动力，它进一步提高了逆变器效率和功率密度。

EH-2000-HA-UD是上能电气的基于英飞凌IGBT7技术的新一代高功率密度2MW储能变流器PCS，使用英飞凌最新的EconoDUAL 3封装的750A 1200V模块，型号为FF750R12ME7_B11。该模块的使用显著简化系统设计，提高了功率密度。在不改变机箱尺寸的基础上单机功率从1.725MW提升到了2MW，交流输出电流高达1840A/690V，功率密度与竞品比8%到26%。

上能储能变流器PCS主要参数

上能储能变流器PCS与竞品比较

上能的储能逆变器设计采用三电平拓扑，最高99%转换效率，电能质量更优具备PQ、VF、SVG、VSG功能，支持高/低压穿越快速功率调度、离网运行和“黑启动”，电网适应能力强。

EH-2000-HA-UD是如何做到“小身材，大能量”的呢？这得益于不断发展的IGBT技术。

IGBT是储能变流器实现电能转换的核心元件，它仿佛一双强有力的手，控制着电流的开通，和关断。如果这双手臂力气大，消耗少，可以减小散热系统的体积重量，减小变流器的体积，或增加变流器输出功率，上能的设计属于后者。

EH-2000-HA-UD采用的FF750R12ME7，这是一款1200V/750A的IGBT模块，芯片采用的是英飞凌最新一代IGBT7技术。与英飞凌上一代IGBT4技术不同，IGBT7采用更加精细化的MPT微沟槽栅技术，沟道密度更高，芯片厚度更薄，元胞结构及间距也经过精心设计，并且优化了寄生电容参数，从而实现最佳开关性能。

在现代功率半导体器件中，提高开关速度、开关频率和功率密度是大势所趋。然而，由于不同具体应用对器件性能需求有差异。就地面电站的兆瓦级的变流器而言，客户典型开关频率（fsw）一般在3kHz。这意味着，对变流器而言，降低静态损耗成为了功率半导体的发展重点，快速开关和高开关频率需求的重要性有所减弱，开关损耗变得次要了。针对上述需求，IGBT7进行了精心的优化。主要体现在：

01

更低的饱和压降和导通损耗

因为更薄的芯片厚度和优化的载流子分布，IGBT大幅降低了器件的损耗，饱和压降相比IGBT4降低了17%，例如IGBT7的Vce(sat)@25℃仅有1.75V，同时关断损耗仍旧与IGBT4维持在同一个水平。如下图所示，IGBT7相比前代器件而言，其折衷曲线进一步逼近理想原点。

因此，如下表，在EconoDUAL 3的封装下，IGBT4最大的电流规格只能到600A，而IGBT7得益于更低的饱和压降和损耗，在600A的基础上，还推出了更大电流的750A及900A的产品(如下图)，更丰富的产品系列，给客户更多的选择，同时也可以用更大的电流的模块，做功率密度更高的产品，提高客户产品的竞争力。

以典型的600A EconoDUAL 3封装为例，应用600AIGBT4目前业界应用水平，应用三电平和4管并联的情况下，可以达到主流的1.725MW。而在同样的系统体积和并联数量的条件下，EH-2000-HA-UD应用750AIGBT7的产品可以提升到2MW。输出功率和电流能力提升了16%。

02

灵活门极开通关断电阻配置

对于关断电阻的选取，是按照实际应用电路在最劣条件下的功况进行双脉冲测试，一般通过增加关断电阻，降低dv/dt,把Vce尖峰电压控制在一个合理的水平。而一般情况下，IGBT的关断损耗与关断电阻的大小呈现明显的正向关系(关断电阻越大，关断损耗越大)，所以，加大关断电阻来控制Vce尖峰电压，会造成关断损耗的迅速增加，而影响整体系统效率。而IGBT7芯片经过优化的设计，关断损耗在不同的关断电阻条件下，正相关并不明显，给予客户在调整Vce关断电压尖峰方面有很大的自由度，不再因为关断电阻的增大对效率有显著降低。客户只需要关注尖峰电压在最恶劣条件下符合客户的设计规范即可。

另外，由于IGBT7的精细化沟槽的设计，不同于IGBT4的驱动电阻选型规则，由于Qg相对于IGBT4要大，因而相对于IGBT4而言，要达到更小的开通损耗，IGBT7需要使用更小的开通电阻和更大的门极驱动功率。而优化的门极驱动电路也可以兼顾开通损耗和二极管反向恢复性能这两者的平衡。

03

更低的功率端子和内部引线电阻

模块内部的绑定线、DCB上表面的覆铜层和芯片与DCB之间的焊接层共同组成了内部引线电阻，其等效值为RCC’+EE’，如下图所示。C是IGBT集电极功率端子，C´是IGBT发射极辅助端子，E是IGBT发射极功率端子，E´是IGBT发射极辅助端子。EconoDUAL 3为半桥拓扑，包含两个等效的IGBT开关和与其并联的续流二极管。每个IGBT开关和续流二极管各包含一个RCC’+EE’。

由于IGBT7增加了模块内部功率端子侧的铜片面积，可以安装更多的铜连接线，因而IGBT7比IGBT4的铜连接线数量增加高达40%。如下表其常温RCC’+EE’为0.8毫欧，比IGBT4的1毫欧降低了20%。如下表：假定引线电阻的温度与IGBT模块的壳温相同，以壳温105度为例，三电平拓朴中，在逆变PF=1,2MW的输出功率条件下，通过仿真计算，平均每个RCC’+EE’可减少约12W的损耗。

同时得益于IGBT7 EconoDUAL 3对模块内部连接DCB和功率端子的结构设计进行的优化，使端子侧的铜片面积得以增加，其功率端子的电阻得以减小，有研究表明，在相同工况（模块输出电流550Arms，IGBT开关频率1000Hz），IGBT7的功率端子的温度比IGBT4最高可降低20℃，在一些恶劣的温升条件下，可以减小甚至取消功率端子的散热片。(更多信息可以参考：英飞凌1700V EconoDUAL 3 IGBT新产品及其在中高压级联变频器和静止无功发生器中的仿真研究)

因而，IGBT7 EconoDUAL 3在芯片及封装层面上的全新优化设计，以1.725MW的储能变流器应用为例，实测IGBT7比IGBT4在PF=1满载放电条件下实测效率提高0.028%，在PF=-1满载充电条件下实测效率提高0.086%，效率的提高意味着更小的损耗和更低的结温。因而在相同结温限制条件下，IGBT7比IGBT4在系统层面可以有效提高输出电流或功率，为单机1.725MW储能变流器扩容到2MW奠定基础。而上能储能变流器EH-2000-HA-UD凭借优化后的门极驱动充份发挥IGBT7的上述优势，并配合上能在热管理上的丰富设计经验，使其新一代单机2MW产品实测系统峰值效率可达99%，达到业界领先水平。

由此可见，得益于IGBT功率半导体器件的一代又一代不断优化在，从穿通型IGBT到场截止型IGBT，从平面栅到沟槽栅，又从沟槽栅到精细化沟槽栅。英飞凌新一代产品IGBT7会持续助力储能变流器实现更低功耗与更小体积，追求低碳高效的路上我们从不停歇，让我们同生活，共未来。