ESM10A 基于逆变器资源的电源堆栈参考设计

　　近年来，对功率半导体这一有助于实现脱碳社会的关键器件的需求迅速扩大。原因在于，通往可再生能源电网的道路涉及基于逆变器的资源(IBR)的重大整合，这些资源由许多小型ibr组成，它们调整频率和电压以获得更高的系统性能。因此，风力发电(WP)，光生伏打学(光伏)、氢气和储能系统预计将大幅增长。用于WP或中央PV逆变器的大型逆变器的额定功率大约为10 MW。主要制造商利用1.5 MW至2.5 MW的并联连接设计公用事业级解决方案，以实现所需的输出功率。为了减少客户的开发工作量，三菱电机提供了由LV100封装中的3个并联工业IGBT模块组成的单相逆变器解决方案。

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　　LV100的尺寸为100 mm × 140 mm，已广泛用于大容量逆变器系统，如图1所示。堆栈设计包括各种其他组件的评估和选择。此外，还需要考虑电流平衡、趋肤效应和温度上升等因素。此外，为了验证不同冷却条件下的电热设计，通过改变散热器，液体和强制空气冷却都可以适用于电源组。本文介绍了电源堆栈的性能和关键散热设计信息，以及表1中列出的规格。因此，三相连接的最大电流设计为1800 A，以实现2 MW的输出功率，并且电流不平衡率也可以控制在5%以内。

　　图一。动力堆及技术要点说明。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　设计方法和电源组输出容量

　　使用计算机辅助工程(CAE)软件:Q3D和Workbench，Ansys，通过电热联合仿真来设计所提出的电力堆。评估电池组的输出容量有两个步骤，如图2所示，环境温度和进水口温度设置为25°C，不考虑DC电容器的发热。在步骤1中，在1800 A的DC电流下进行热评估，并且在DC母线和IGBT外壳(Tc，x)进行了测量。

　　图二。动力堆的热评估方法。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　其中，Tc，1和Tc，2分别代表高端和低端IGBT芯片下基板温度。为了达到误差小于10%的目的，对模拟的传热系数(HTC)进行了调整，以符合实验结果。在步骤2中，考虑空间矢量脉宽调制(SVPWM ),模拟DC母线和IGBT模块的损耗(通过三菱电机制造的Melcosim功率损耗计算器)。条件:VDC = 1100V，调制指数= 0.9，功率因数= 0.95，2.5kHz)。其中，热模型与步骤1相同，芯片结(T电视综艺节目主持人)是从热阻和模拟Tc。然后可以估计逆变器模式下的温度分布。

　　表1。电源组的规格。

　　项目规格

　　拓扑学2级

　　尺寸(长×宽×高)795×423×289毫米

　　重量65公斤左右

　　输出功率2兆瓦

　　直羚压1100伏

　　目前的交流:1800 Arms @fs: 2.5kHz

　　电流不平衡比5%以内

　　最大值驾驶fs2.8千赫

　　图3显示了通过设置不同的产生损耗和HTC的条件，在空气和液体冷却的逆变器条件下的估计输出功率电视综艺节目主持人和母线温度T母线，分别为。对于液体冷却，可以获得2 MW的输出功率。空气强制冷却产生1.4 MW的输出功率，母线温度缓慢上升。

　　图3。之间的关系电视综艺节目主持人和T母线在不同的输出功率和冷却方式下。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　堆栈性能改进

　　对于兆瓦级功率堆设计，功率模块通常采用并联连接，同时考虑电流平衡、驱动同步、短路保护和温升。电流平衡的设计概念是均衡并联路径之间的阻抗。本文着重于元件的温升，同时解释了不同设计方法下的散热。

　　1)DC母线的桥宽效应

　　图4显示了在1800 A的DC电流和3 mm的层厚下，不同桥宽度的DC母线的温度分布的实验结果。这样，并联IGBTs之间20 mm的间距是固定的。由于IGBT模块通过散热器和DC汇流条散热，窄的桥宽度会由于热阻的增加而导致更高的IGBT温度。

　　a)桥宽= 34毫米。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　b)桥宽= 24毫米。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图4。不同桥宽下的温度分布。

　　2)强制空气冷却的流向

　　在强制通风冷却中，气流方向会显著影响系统性能。每个IGBT模块应接收相同的气流，以在并联条件下实现最小的温度不平衡。因此，建议的电源组的气流方向可以分为两种情况，如图5所示。在情况1中，强制空气流过散热器，并被IGBTs加热。之后，暖空气流向DC母线和电容器。外壳温度为T的前端IGBTc2接收最大的冷却流量，但冷却外围组件，甚至是外壳温度为T的背面IGBTc1由于较高的环境温度而变得更糟。然而，考虑到系统性能，情况2的气流方向会更好。

　　a)案例1。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　b)案例二。图片由提供博多的动力系统[PDF]

　　图5。电源组的不同气流方向(侧视图)。

　　研究结果

　　本研究指出了影响温升的因素:DC母线和气流方向。热量管理是一个交叉耦合的问题。因此，应优化外围器件的设计和选择。LV100封装的IGBT模块由于其易于并联和低电感而成为此类电源组的合适解决方案。这降低了在热管理、电流平衡和较低电压尖峰方面实现更好系统性能的设计难度。特别是，对称芯片布局简化了散热器设计，降低了IGBT模块之间的热交叉耦合。LV100封装产品如表2所示。LV100适用于工业应用，电压额定值为1200 V、1700 V和2000 V。该封装基于SLC封装技术，采用匹配热膨胀系数的热循环无故障封装技术。用于铁路应用的LV100封装可用于1700V和3300V，并采用MCB基板。

　　表二。带LV100组件的IGBT模块系列。图片由提供博多的动力系统[PDF]