Inteligentne rozwiązanie dla centralnych falowników fotowoltaicznych 3-poziomowych o napięciu 1500VDC

LV100: Inteligentne rozwiązanie dla centralnych falowników fotowoltaicznych 3-poziomowych o napięciu 1500VDC

W zastosowaniach centralnych falowników fotowoltaicznych, popularnym podejściem jest wykorzystanie topologii klamry punktu neutralnego 3-poziomowej opartej na IGBT o napięciu 1200 V. Jednak znalezienie odpowiedniego modułu mocy jest często wyzwaniem, biorąc pod uwagę wymagania dotyczące wysokich prądów, niskiej indukcyjności pasożytniczej i standaryzowanego obudowania o powszechnie dostępnych. Dlatego konieczne jest inteligentne rozwiązanie dla centralnych falowników fotowoltaicznych 3-poziomowych o napięciu 1500VDC.

Autorzy: Thomas Radke, Narender Lakshmanan, Daniel He, Mitsubishi Electric Europe B.V

Na ogół problem pojawia się podczas opracowywania topologii klamry punktu neutralnego 3-poziomowej przy użyciu kilku standardowych modułów mocy półmostkowych. Połączenie szeregowe modułów IGBT powoduje wysoką indukcyjność pasożytniczą, która w połączeniu z wysokim di/dt podczas przełączania powoduje wysokie napięcia przełączania [2]. Moduły IGBT z zintegrowanym mostkiem fazowym NPtopology zawierającym 4 IGBT i 6 diod potencjalnie mają niższą indukcyjność pasożytniczą, ale nie są dostępne dla wysokich prądów i są droższe ze względu na złożony układ wewnętrzny [3]. Rozwiązaniem jest wykorzystanie topologii aktywnej klamry punktu neutralnego (A-NPC) w połączeniu ze zdolnym schematem modulacji, który umożliwia wykorzystanie modułów IGBT półmostkowych, takich jak nowy standard de facto (moduły LV100), bez problemu napięcia przełączania spowodowanego wysoką indukcyjnością komutacyjną.

Z powodu znacznego obniżenia kosztów systemowych, niedawno zwiększone napięcie stałe 1500 V_DC stało się standardem dla elektrowni fotowoltaicznych o dużej skali. W związku z tym konieczne jest wybranie odpowiednich topologii układów i urządzeń półprzewodnikowych zdolnych do obsługi łącza stałego 1500 V_DC dla centralnych falowników słonecznych, aby spełnić wymagania dotyczące kosztów, sprawności, niezawodności i harmonicznych sieciowych. Topologia 2-poziomowa nie jest preferowana, ponieważ IGBT o napięciu 1,7 kV nie zapewniają wystarczającego marginesu wobec awarii w kontekście przejściowych napięć przekroczeniowych. Dodatkowo, w takich warunkach pracy, IGBT o napięciu 1,7 kV mają wysoką częstotliwość awarii spowodowaną promieniowaniem kosmicznym. Urządzenia o wyższym napięciu, takie jak IGBT o napięciu 3,3 kV, oferują niższe częstotliwości awarii spowodowane promieniowaniem kosmicznym i zapewniają wystarczający margines wobec przejściowych napięć przekroczeniowych. Jednak przełączalne i przewodzeniowe straty IGBT o napięciu 3,3 kV nie spełniają wymagań systemowych dotyczących sprawności i częstotliwości przełączania. Zoptymalizowana klasa napięcia pośredniego o blokadzie IGBT nie jest dostępna komercyjnie do obsługi aplikacji 1500 V_DC. W rezultacie obecnie preferowaną topologią dla falowników o napięciu stałym 1500 V_DC [6] w dziedzinie aplikacji odnawialnych źródeł energii. Konfiguracja obwodu półmostka jest dominującą topologią obwodu dla modułów IGBT o wysokiej mocy i napięciu 1200 V. Jednym z głównych powodów jest to, że moduły półmostkowe zapewniają zoptymalizowane rozmieszczenie wewnętrzne, które jest optymalizowane w celu zmniejszenia pętli indukcyjności komutacyjnej i tym samym umożliwia wykorzystanie modułów o wysokim prądzie 1200 V z akceptowalnymi przejściowymi napięciami przekroczeniowymi w trakcie pracy. Korzystając z tych modułów półmostkowych w topologii klamry punktu neutralnego 3-poziomowej, wiele modułów jest zaangażowanych w pętlę komutacyjną, dlatego korzyść z niskiej indukcyjności układu wewnętrznego modułu nie występuje. W rezultacie moduły półmostkowe nie mogą być używane, chyba że prędkość przełączania, zwłaszcza di/dt, zostanie znacznie spowolniona w celu zmniejszenia przejściowych napięć przekroczeniowych. Dla najnowszej generacji IGBT o rowkach, kontrolowalność di/dt za pomocą rezystancji bramkowych podczas wyłączania jest ograniczona, dlatego znaczne spowolnienie prędkości przełączania nie jest możliwe. Ponadto, wzrost energii przełączania spowodowany takim spowolnieniem miałby negatywny wpływ na sprawność systemu, gęstość mocy i ostatecznie koszt falownika.

Komutacja w topologii NPC 3-poziomowej z modułami półmostkowymi / przetwornikowymi Klasyczna topologia NPC 3-poziomowa

Aby zbudować topologię NPC 3-poziomową, potrzebne są trzy moduły (jeden moduł półmostkowy i dwa moduły przetwornikowe), jak pokazano na Rysunku 1. Moduły A i C są modułami przetwornikowymi, a moduł B ma konfigurację półmostka. Pasożytnicze indukcyjności obwodowe modułu A i B (Ls1p i Ls1n) w stosunku do łącza stałego są małe dzięki zoptymalizowanemu układowi niskiej indukcyjności modułu IGBT i odpowiedniemu projektowi warstwowej konstrukcji łącza stałego. Jednak indukcyjności pasożytnicze (Ls2p i Ls2n) podczas komutacji między modułami nie są zoptymalizowane i dlatego są względnie wysokie w porównaniu.

W zależności od trybu pracy, który jest związany z przesunięciem fazowym napięcia wyjściowego i prądu wyjściowego, jak pokazano na zdjęciu 2, należy uwzględnić różne indukcyjności komutacyjne. Różne tryby pracy dla topologii NPC 3-poziomowej są pokazane na Rysunku 3.

W trybach pracy 2 i 4 efektywna indukcyjność komutacyjna jest niska, ponieważ komutacja odbywa się w obrębie jednego modułu mocy (podobnie jak w przypadku konwencjonalnej pracy 2-poziomowej). Moduł IGBT B przewodzi prąd, ale nie jest zaangażowany w pętlę komutacyjną. W trybach pracy 1 i 3 efektywna indukcyjność komutacyjna jest wysoka, ponieważ wszystkie 3 moduły są zaangażowane w zdarzenie komutacji. W rezultacie mogą wystąpić przepięcia, które mogą przekroczyć zdolność blokującą półprzewodników i prowadzić do zniszczenia modułów IGBT.

Niskoindukcyjna komutacja przy użyciu topologii A-NPC

W topologii A-NPC 3-poziomowej, aktywne przełączniki (IGBT) są dodawane do diod zacisku punktu neutralnego D5 i D6 w topologii NPC. Dzięki wykorzystaniu tych IGBT, stają się dostępne alternatywne ścieżki komutacji dla napięcia neutralnego. Dostępne są różne strategie sterowania, które mogą prowadzić do bardziej jednolitego rozkładu [1] [5] strat mocy między różnymi elementami przełączającymi. Oprócz tych zalet, topologia A-NPC pomaga zrealizować niskoindukcyjne pętle komutacji. Zdjęcie 4 przedstawia topologię A-NPC, która jest budowana przy użyciu trzech modułów półmostkowych. Na przykład, gdy klasyczna topologia NPC jest w trybie pracy 1, żadna niskoopornicza ścieżka nie jest dostępna, ponieważ kilka modułów jest zaangażowanych w zdarzenie komutacji. Jednak gdy topologia A-NPC jest w trybie pracy 1, nowa niskoopornicza ścieżka przez D2 i S5 jest dostępna. Dodatkowo, w trybie pracy 3, nowa niskoopornicza ścieżka przez S6 i D3 również staje się dostępna. W rezultacie, we wszystkich czterech trybach pracy, istnieje niskoopornicza pętla komutacji wykorzystująca aktywny przełącznik. Nie istnieje wysokoindukcyjna ścieżka komutacji, w której zaangażowane są kilka modułów.

Ocena topologii 3-poziomowej z wykorzystaniem modułów IGBT LV100 Konfiguracja testowa

Mając na uwadze fakt, że pakiet LV100 został uznany za nowy standard dla aplikacji o dużej mocy, takich jak energia odnawialna, napędy przemysłowe, przekształtniki kolejowe i aplikacje sieciowe [7], została zbudowana konfiguracja testowa z trzema przemysłowymi modułami półmostkowymi IGBT o prądzie 1200 A. Konfiguracja ta reprezentuje jedną gałąź fazową 3-poziomowej topologii A-NPC, jak pokazano na Rysunku 5. Przeprowadzono również ocenę komutacji klasycznej topologii NPC, utrzymując IGBT S5 i S6 wyłączone. Oceniono efektywne indukcyjności komutacyjne oraz maksymalny prąd, który można przełączyć, nie przekraczając 1200 V. Warunki tej oceny to Tj=25°C i V_CC = 1500 V (2 x 750 V).

Wyniki oceny

Wyniki oceny przedstawione na Zdjęciu 6 wskazują, że wykorzystując topologię A-NPC, indukcyjność przypadkowa we wszystkich trybach pracy wynosi mniej niż 19 nH. W żadnym trybie pracy maksymalny prąd 2400A (dwukrotnie większy od wartości nominalnej) nie był ograniczony przez przepięcia chwilowe. Ograniczenie 2400A, o którym mowa tutaj, odnosi się do granicy RBSOA zgodnie z arkuszem danych dla modułu IGBT 1200A [8]. Jak pokazano na Zdjęciu 7, maksymalne napięcie kolektor-emiter (V_CE) przy wyłączaniu prądu kolektora I_C równego 2400 A wynosi mniej niż 1100 V. Jednak przy użyciu klasycznej topologii NPC, V_CE osiąga 1200 V przy wyłączaniu prądu kolektora o wartości 637 A. Wysokie napięcie przepięciowe jest spowodowane wysoką indukcyjnością przypadkową wynoszącą 118,2 nH.

Przełączanie przy zerowym napięciu w topologii A-NPC

Trójpoziomowe napięciowe przekształtniki PV-Inverters modulują napięcia sinusoidalne o częstotliwości podstawowej 50 Hz lub 60 Hz. Podczas półfal sinusoidalnych (ujemnych lub dodatnich), topologia A-NPC zapewnia niskie indukcyjne ścieżki komutacji. Jednak podczas zmiany polaryzacji napięcia wyjściowego, na przykład podczas przejścia z trybu pracy 2 do 3 lub z 4 do 1, nie można uniknąć wysokiej indukcyjności komutacji przez kilka modułów. W przypadku współczynnika mocy dla czystej mocy czynnej [3] [4] (cos(φ)=1/-1), prąd wyjściowy wynosi zero, a wyższa indukcyjność komutacji nie powoduje przepięć. Jednak w przypadku konieczności dostarczenia mocy biernej przez falownik, prąd musi komutować przez ścieżkę o dużej indukcyjności. Ponieważ ograniczenie maksymalnego prądu kolektora, takie jak badane 637 A, nie byłoby akceptowalne, konieczne jest zastosowanie nowoczesnego wzorca przełączania w celu zmniejszenia przepięcia. Przykład na Zdjęciu 8 przedstawia komutację podczas zmiany polaryzacji napięcia wyjściowego z ujemnej do dodatniej półfali przy ujemnym stanie prądu wyjściowego. Przedstawia to zmianę z trybu pracy 4 do 1. Podczas ujemnej półfali, przełączane są naprzemiennie IGBT S4 i S6. Prąd komutuje między ścieżką 1 i 2. Przy przejściu do dodatniej półfali napięcia, prąd musi komutować z modułu IGBT połówmostka C do A, przez ścieżkę o dużej indukcyjności wynoszącej 118.2 nH. Podczas zmiany polaryzacji, ścieżki komutacji 2 i 3 można włączyć równolegle, włączając IGBT S2, S3, S5 i S6. Jak pokazano na kształcie fali na Zdjęciu 8, prąd naturalnie częściowo komutuje przez ścieżkę 2 do 3. W przypadku oceny modułów IGBT LV100 o prądzie 1200 A można zaobserwować, że po 80 µs około 40% prądu ścieżki 2 (I_C S3) skomutuje do ścieżki 3 (I_C S2) bez żadnego przepięcia. Po tej częściowej komutacji, ścieżka 2 może być wyłączona przez wyłączenie IGBT S6 i S3. Przy tym wyłączeniu di/dt jest zmniejszone, ponieważ prąd jest już zmniejszony o 40% przed wyłączeniem. Jak pokazano na Zdjęciu 9, podczas wyłączania IGBT S3 wystąpi przepięcie spowodowane szybkością zmiany di/dt i odpowiadającą indukcyjnością komutacji. Wynikowe przepięcie mierzone na IGBT nie zależy od wartości napięcia na magistrali DC, ponieważ ścieżka 3 (D2 i S5) jest już przewodząca.

Ocena pokazuje, że przy wyłączaniu 2300 A, wynikowe przepięcie wynosi 750 V i tym samym jest znacznie poniżej 1200 V limitu. Zmiana polaryzacji napięcia na dodatnią sinusoidalną półfalę może być pomyślnie wykonana, a niskie indukcyjne ścieżki 3 i 4 mogą być przełączane naprzemiennie.

LV100 zoptymalizowany dla aplikacji odnawialnych i przemysłowych

Przedstawiono, że moduły IGBT połówmostka mogą być używane bez typowych wad związanych z indukcyjnościami komutacji dla przekształtników trójpoziomowych. Ponadto, biorąc pod uwagę fakt, że centralne przekształtniki PV wymagają niezawodnych, skalowalnych i standaryzowanych modułów mocy, LV100 dla aplikacji przemysłowych i odnawialnych oferuje zoptymalizowane rozwiązanie [7]. Obudowa LV100 jest nowym standardem dla modułów IGBT o dużej mocy, dlatego ma kompatybilny kształt z modułami mocy od różnych dostawców. Linia produktów LV100 dla aplikacji przemysłowych obejmuje blokady o napięciach zaporowych 1200V i 1700V, jak pokazano na Zdjęciu 10.

LV100 dla aplikacji przemysłowych oparty jest na technologii pakowania SLC, która udowodniła, że jest technologią bezawaryjną w cyklu termicznym [9]. Tryb awarii związany z cyklem termicznym jest nieobecny, ponieważ technologia pakowania SLC wykorzystuje materiały połączeniowe o dopasowanych współczynnikach rozszerzalności termicznej i nie wymaga warstwy lutu do połączenia podłoża z podstawką. Technologia chipów IGBT i diod generacji 7. pomaga osiągnąć jak najwyższą sprawność przekształtnika. Połączenie tych technologii z zaawansowanym, symetrycznym układem wewnętrznym o niskiej indukcyjności zapewnia najwyższą możliwą gęstość mocy [7] i niezawodną pracę.

Podsumowanie

Wysokomocne przekształtniki centralne PV trójpoziomowe z niską indukcyjnością komutacji mogą być zrealizowane przy użyciu modułów IGBT półmostka. Pokazano, że przez zastosowanie modułów IGBT LV100 we współpracy z topologią aktywnego zwarcia neutralnego (A-NPC), dostępna jest niska indukcyjna ścieżka komutacji dla wszystkich trybów pracy. Podczas zmiany polaryzacji napięcia wyjściowego, można zastosować opisany tutaj nowatorski wzorzec komutacji w celu efektywnego zmniejszenia przepięć przełączania.

Wnioski: Doskonałe rozwiązanie dla wysokomocnych przekształtników trójpoziomowych można osiągnąć poprzez połączenie wysokiej niezawodności oferowanej przez technologię pakowania SLC, optymalizacji strat mocy oferowanej przez technologię chipów generacji 7, zapewnienia bezpieczeństwa łańcucha dostaw dla obudowy LV100 i możliwości stosowania schematów przełączania o niskiej indukcyjności.

Źródła:

[1] D. Floricau, E. Floricau and G. Gateau, "Three-level active NPC converter: PWM strategies and loss distribution," 2008 34th Annual Conference of IEEE Industrial Electronics, Orlando, FL, 2008, pp. 3333-3338
[2] M. Honsberg and T. Radke: “4in1 400A/1200V Module with T-type Topology for 3-Level Applications” Bodos Power Feb’2015, pages 26-28.
[3] M.Honsberg, T. Radke : “3-level IGBT modules with Trench Gate IGBT and their thermal analysis in UPS, PFC and PV operation modes” - EPE 2009 – Barcelona - ISBN: 9789075815009 pages 1-7
[4] T. Radke and M. Honsberg: “A family of 3-level IGBT modules from 10A to 600A equipped with Trench Gate IGBT and their thermal performance under typical conditions for UPS and PV inverter operation” PCIM2009 ISBN: 978-3-8007-3158-9 pages 136-139
[5] L. Caballero, S. Ratés, O. Caubet, S. Busquets-Monge: “Advantages of ac-ac power converters based on ANPC topology for wind applications” E EWEA 2015
[6] N. Lakshmanan and T. Radke: “Power Modules for Combining Innovation, Flexibility and Power Capability in the Various 3-Level Topologies” Bodo’s Power Systems April 2016, pages 26-29
[7] T. Radke and N. Lakshmanan: “The Next Generation of High Power IGBT Modules LV100 for Wind Converter, Photovoltaic Inverter and Motor Drives” Bodo’s Power Systems May 2019, pages 42-45
[8] Datasheets 1200A LV100 IGBT Module CM1200DW-34T and CM1200DW-24T
[9] T. Radke and N. Lakshmanan: “New Horizons in Thermal Cycling Capability Realized with the 7th gen. IGBT Module Based on SLC-Technology” Bodo’s Power Systems May 2017, pages 48-51