满足户用光伏需求 士兰微电子推出650V/75A IGBT

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户用光伏

在“双碳”目标和乡村振兴战略的双重加持下,户用光伏迎来了跨越式的发展。据国家能源局发布数据显示,2021年全国光伏新增装机5488万千瓦,户用光伏达到2160万千瓦,占比39.4%,表明户用光伏已经成为光伏产业的重要组成部分,是我国推动能源结构向低碳绿色转型的关键力量。户用光伏侧重于用户自发自用,装机容量相对于工商业光伏较小。

 

 

 
 
 

图1 2021年全国光伏新增占比

 

光伏发电的原理是利用PN结的光生伏特效应,将光伏阵列产生的直流电通过变流器转换为交流电进行并网或者供给负载使用。光伏并网发电系统有集中式、组串式以及微型逆变器等多种结构形式,可以满足不同应用场合对功率等级和安装方式的不同要求。对于容量在几千瓦左右的户用光伏,并网逆变器通常采用组串式的结构。这种结构为每一个光伏组件串都配置一个DC-DC和一个DC-AC变流环节,前级DC-DC直接与光伏组件串输出侧相连接,达到升压稳压的作用,同时采用最大功率点追踪(MPPT)技术使光伏阵列保持最大功率输出。后一级DC-AC将直流电逆变为与电网频率相位相匹配的交流电,经过滤波器滤波后与电网连接。组串式结构因其转换效率高、模块化易扩展等优点广泛应用于民用住宅和商业建筑当中。

 

图2 光伏系统结构图

 

光伏组件因其特殊结构会在光伏发电系统与大地之间引入一个较大的寄生电容CPE,逆变器正常工作开关器件动作时,产生的dv/dt会作用在该寄生电容上形成位移电流,使得电网和光伏逆变器之间存在漏电流icm,这不仅会对电网造成电磁干扰,降低电能质量,而且会对系统绝缘造成损坏,威胁人身安全。因此德国DIN VDE 0126-1-1标准规定了光伏逆变系统在漏电流超过300mA时需要在0.3s内与电网断开。漏电流严重影响到了光伏设备的稳定运行,是产品设计中需要重点考虑的因素。

 

光伏系统容量范围

允许最大漏电流Icm

≤30kW

300mA

>30kW

10mA/kW

表1 光伏系统允许最大漏电流

 

抑制系统漏电流可以通过引入变压器,对光伏阵列与电网进行电气隔离来实现。然而户用光伏由于在设备体积和重量方面存在一定限制,通常采用特殊的非隔离型逆变器,配合优化的调制策略来减小共模电压,达到抑制漏电流的目的。随着光伏逆变技术的发展,适用于中小功率的H5、H6、Heric等多种新型拓扑逐渐被提出,并成为并网逆变器的主流拓扑。

 

其中德国Sunways公司的Heric拓扑凭借其共模噪声小,转换效率高等优点,成为应用最为普遍的非隔离型逆变结构之一。

 

图3 Heric拓扑原理图

 

 
 
 
 

 

为了满足其对并网电压等级和装机容量的需求,士兰微电子推出了型号为SGTP75V65SDS1P7的650V IGBT,可以高效配合50kW以下户用光伏产品。

 

士兰微电子SGTP75V65SDS1P7最大耐压在650V以上,额定电流高达75A,对目前主流的户用光伏并网逆变器拓扑都有很好的适配性,可以应用于1-10kW单相逆变器各个桥臂的开关管,同时也可以应用于10-60kW三相T型逆变器中交流侧连接中点的桥臂处的开关管(横管)。

SGTP75V65SDS1P7

 

 

 

产品介绍

 

 

SGTP75V65SDS1P7 650V/75A绝缘栅双极型晶体管采用第5代场截止(Field Stop 5)制作工艺,先进的高密度沟槽技术保证了较低的导通压降和开关损耗。内部采用超快速软恢复二极管进行反并联,优化了反向恢复特性,提高了器件开关动态性能。SGTP75V65SDS1P7适用于光伏、UPS、SMPS以及PFC等应用领域,其采用独特的封装技术,增强了散热能力和机械强度,使器件具有更强的抗热疲劳能力和恶劣环境适应能力。

 

 

 

产品特点

 

 

1

 基于士兰微沟道的FS5代工艺技术

2

推荐工作频率5-40kHz

3

TO-247-3L封装

4

低Vce(sat)且具有正温度系数

5

最大结温175℃

6

开关动态特性优化

 

 

性能对比

 

 

目前士兰微电子SGTP75V65SDS1P7已经应用于诸多光伏产品当中,并且在部分性能指标上表现出一定优势。SGTP75V65SDS1P7基于士兰自主研发的制作工艺和封装技术,优化了反并联二极管的软恢复特性,有效降低了反向恢复过程中电压振荡与过冲,获得更好的开关动态特性。由图4-图6所示的常温下250V、30A/70A工况的双脉冲测试对比可以得出,士兰微电子SGTP75V65SDS1P7在开通过程中无高频振荡;与A公司竞品对比,二极管关断时,反向恢复电流和尖峰电压更小,无异常振荡。

测试条件:常温25℃,额定电压250V,额定电流30A、70A.

彩色:SGTP75V65SDS1P7,黑色:A公司竞品

(a) Ice=30A

(b) Ice=70A

图4 开通波形对比

 

(a) Ice=30A

(b) Ice=70A

图5 关断波形对比

 

(a) Ice=30A

(b) Ice=70A

图6 反向恢复波形对比

 

由于采用了FS5沟槽栅工艺技术,SGTP75V65SDS1P7同样有着出色的损耗性能。单相8kW整机的仿真结果对比如图7和图8所示,士兰产品的开通损耗与导通损耗较小,与 A公司竞品基本相同,低于国外友商B公司竞品。关断损耗与反向恢复损耗较大,优势较小。总体损耗略高于A公司竞品,在母线电压360V和480V的工况下横管损耗低于国外友商B公司竞品。CEC和EU加权效率测试在98.5%以上。

仿真条件:单相HERIC拓扑,输出额定功率8000W,输出电压220V

 

图7 母线电压360V下损耗仿真结果对比

 

图8 母线电压480V下损耗仿真结果对比

 

图9 器件结温对比

 

图10 CEC与EU测试加权效率对比

 

 

 

结论

 

 

SGTP75V65SDS1P7 650V/75A是基于士兰先进工艺技术开发的第5代高功率密度IGBT,适用于容量50kW以下的光伏产品开发。士兰微电子SGTP75V65SDS1P7产品在损耗有较大优势的基础上,选择牺牲小比例的效率性能,去折中优化开关动态特性,避免开关过程中产生较大的电压过冲和振荡,提高了系统运行的稳定性和可靠性,利于光伏整机应用。

 

 

 

 

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2022/08/03 09:50

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