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，是按照实际应用威廉希尔官方网站 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。而优化的门极驱动威廉希尔官方网站 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。