IGBT在光伏发电中的应用
光伏逆变器IGBT_硅脂涂敷工艺研究
- 60 -工 业 技 术我国是能源生产大国，也是一个能源消费大国。
随着太阳能电池技术不断发展，太阳电池生产成本和光伏发电成本快速下降，在各项光伏政策的支持下，我国光伏发电市场继续保持快速发展[1]。
IGBT 硅脂涂敷工艺是光伏逆变器生产的核心工序，导热硅脂是其关键物料。
导热硅脂成分为硅油和填料，目前被广泛应用于散热器与IGBT 安装面，其目的在于填补各器件安装面与散热器间的间隙，以取得更均匀、更有效的散热效果，避免器件由温度过高导致损坏。
为保证导热硅脂均匀分布在IGBT 上，其涂敷工艺至关重要[2]。
改进涂敷工艺可以有效提高生产效率，降低生产成本，提高产品的竞争力，在保证质量的前提下降低导热硅脂的黏度，提高导热硅脂的均匀性，减少涂敷时间，提高产能，增加企业效益。
产能较低会造成能源浪费并增加生产成本，可以通过降低涂敷硅脂的劳动强度来提高逆变器质量和生产效率，达到节能降耗的目的，这也是我公司逆变器开发工作的重中之重。
该文采取调整导热硅脂黏度的方法对光伏逆变器IGBT 硅脂涂敷工艺进行改进。
1 改进前IGBT 硅脂涂敷工艺存在的问题光伏逆变市场竞争日益加剧，对高效光伏逆变器的生产提出了更高要求，功能测试稳定、电性能逆变效率高以及使用寿命长是光伏逆变器的发展趋势。
随着市场竞争白热化，高性能、低成本的逆变器成为众多逆变器企业的研究和开发重点。
我公司光伏逆变器包括集散式、集中式和组串式系列，逆变功率不同，元器件规格即不同。
市场上以集散式与组串式系列逆变器为主，该文以大功率集散式逆变器为研究对象。
集散式逆变器硅脂涂敷工艺存在硅脂厚度不匀称、涂敷难度大等问题，导致产品性能不稳定，经功率测试和满载测试发现大量异常数据。
2 改进方案IGBT 硅脂涂敷工艺相同的条件下，通过调整导热硅脂黏度来确保导热硅脂热导率及热阻值。
热导率是截面积为1m 2的柱体沿轴向1m 距离且温差为1K （1K ＝1℃）时的热传导功率，数值越大，表明该材料的热传递速度越快且导热性能越好。
三电平技术在1MW 1500V 光伏应用中的IGBT功率模块解决方案
三电平技术在1MW 1500V 光伏应用中的IGBT功率模块解决方案Kevin, Lenz, Danfoss Silicon Power, GermanyToke, Franke, Danfoss Silicon Power, GermanyHenning, Ströbel-Maier, Danfoss Silicon Power, Germany* 更多资讯，请联系丹佛斯中国：zengzhigang@摘要在光伏发电应用中，目前的趋势是向开路电压1500V系统发展[1]。
效率高、成本低、体积小是光伏逆变器设计最关心的。
减少并联的IGBT功率模块数量是减小体积和降低成本的关键。
选择正确的拓扑结构可以通过提高开关频率来减小滤波器的体积。
本文介绍了一种三电平的IGBT功率模块，该模块可以减少系统中模块并联的数量。
同时，进一步讨论了不同中性点钳位（NPC）拓扑的优点以及一种直接水冷系统。
1、三电平IGBT 模块为了获得更加高效率的解决方案，三电平技术正在变得越来越重要，甚至在兆瓦（WM）级的高功率应用中。
中性点钳位的三电平技术先后发展出了两种拓扑结构NPC1和NPC2（图1）[2]。
两种拓扑结构在不同的应用中各有优点。
本文介绍了一种基于这两种拓扑的采用相同封装和引脚的IGBT功率模块。
图1：NPC1（左），NPC2（中），两电平半桥拓扑（右）丹佛斯P3L®模块封装是一种多电平应用的标准封装，一个完整的低杂散电感NPC1[7] 和NPC2[5,6]拓扑为高功率应用提供了三电平的优势。
图2：丹佛斯硅动力的P3L®（NPC1和NPC2）以及P3（半桥）模块2、NPC1和NPC2的优缺点2.1、NPC2在低开关频率下效率更高为了满足高效的逆变器的设计要求，IGBT模块的功率损耗是重要的影响因素。
为了评估三电平模块对比两电平半桥模块在功率损耗上的优势，设计了一个仿真计算工具（DICAT）[4]。
IGBT光伏发电逆变工作原理和电路设计
IGBT光伏发电逆变工作原理和电路设计作者：海飞乐技术时间：2017-07-25 09:53 国内外大多数光伏发电系统是采用功率场效应管MOSFET构成的逆变电路。
然而随着电压的升高，MOSFET的通态电阻也会随着增大，在一些高压大容量的系统中，MOSFET会因其通态电阻过大而导致增加开关损耗的缺点。
相比之下，绝缘栅双极晶体管IGBT通态电流大，正反向组态电压比较高，通过电压来控制导通或关断，这些特点使IGBT在中、高压容量的系统中更具优势，因此采用IGBT构成太阳能光伏发电关键电路的开关器件，有助于减少整个系统不必要的损耗，使其达到最佳工作状态。
1.工作原理与设计思路1.1光伏发电系统结构太阳能光伏发电的实质就是在太阳光的照射下，太阳能电池阵列(即PV组件方阵)将太阳能转换成电能，输出的直流电经由逆变器后转变成用户可以使用的交流电。
原理图如图1所示。
逆变器是太阳能光伏发电系统中的关键部件，因为它是将直流电转化为用户可以使用的交流电的必要过程，是太阳能和用户之间相联系的必经之路盟。
因此要研究太阳能光伏发电的过程，就需要重点研究逆变电路这一部分。
如图2(a)所示，是采用功率场效应管MOSFET构成的比较简单的推挽式逆变电路，其变压器的中性抽头接于电源正极，MOSFET的一端接于电源负极，功率场效应管Q1，Q2。
交替的工作最后输出交流电力，但该电路的缺点是带感性负载的能力差，而且变压器的效率也较低，因此应用起来有一些条件限制。
采用绝缘栅双极晶体管IGBT构成的全桥逆变电路如图2(b)所示。
其中Q1和Q2之间的相位相差180°，其输出交流电压的值随Q1和Q2的输出变化而变化。
Q3和Q4同时导通构成续流回路，所以输出电压的波形不会受感性负载的影响，所以克服了由MOSFET构成的推挽式逆变电路的缺点，因此采用IGBT构成的全桥式逆变电路的应用较为广泛一些。
图1 太阳能光伏发电原理图1.2 IGBT的工作原理绝缘栅双极晶体管IGBT是相当于在MOSFET的漏极下增加了P+区吲，相比MOSFET来说多了一个PN结，当IGBT的集电极与发射极之间加上负电压时，此PN结处于反向偏置状态，其集电极与发射极之间没有电流通过，因此IGBT要比MOSFET具有更高的耐压性。
IGBT模块驱动技术及应用
二、IGBT驱动与保护
驱动线
IGBT驱动线在设计过程中，尽量设计短，并双绞。
二、IGBT驱动与保护
结温
高结温将有助于减少在高杂散电感条件下的震荡
二、IGBT驱动与保护
二、IGBT驱动与保护
Vce尖峰
Vce尖峰电压由IGBT关断过程中杂散电感及二极管反向恢复产生。
L=85nH
L=185nH
衡IGBT的通态损耗和开关损耗。
一、IGBT基本原理
（2）非穿通（NPT）型IGBT
与PT型IGBT不同，NPT型IGBT以掺杂的N-
栅极
发射极
基区为衬底，P掺杂发射区设计的很薄，没有
PT型IGBT的N型缓冲区，这样在阻断状态，电
场只在N型衬底内存在。因为电场不再“穿
通”N型衬底，因此被称为“非穿通”型IGBT。
针对感性负载，为了防止过压，IGBT需要
并联一个续流二极管给电流提供续流回路。RC
N+
P
IGBT并不是简单的在外部并联一个半导体二极
管，而是在半导体内部实现了一个二极管，主
N-基区
（衬底）
要用于谐振电路、硬开关电路中。
N场终止层
P
N
集电极
P
一、IGBT基本原理
英飞凌IGBT
二、IGBT驱动与保护
IGBT模块驱动技术及应用
一、IGBT基本原理
目
录
二、IGBT驱动与保护
三、双脉冲测试
四、安全工作区
一、IGBT基本原理
1. IGBT基本介绍
IGBT（InsulatedGateBipolarTransistor）绝缘栅双极型晶体管
IGBT之父:Jayant Baliga(贾杨.巴利加)教授（20世纪80年代发明）
无功补偿装置在某光伏发电站中的应用
无功补偿装置在某光伏发电站中的应用随着光伏发电技术的不断发展，光伏发电已成为清洁能源领域的一大利器。
然而，在光伏发电过程中，由于光伏组件的特性，所发电的电能的功率因数往往较低，而功率因数的低下会导致电网能耗增加、电网电压降低、电设备寿命减短等问题。
因此，在光伏发电站中引入无功补偿装置，对于维护电网的稳定和正常运行具有重要意义。
一、无功补偿装置的原理及作用无功补偿装置一般由电容器和电感器组成。
当光伏发电站的功率因数低于1时，无功补偿装置会将无功电流通过电容器、电感器，产生与光伏发电站发电功率相反的电流，以抵消掉发电站产生的无功电流，从而提高功率因数，减少无效功率的产生。
同时，无功补偿装置还可以进行电网电压调节，改善电网电压质量，保证电网电压的稳定。
二、无功补偿装置在光伏发电站中的应用无功补偿装置可广泛应用于不同容量的光伏发电站，以协助发电站降低无效功率的产生，提高功率因数，优化电网电压，并改善电网电压质量。
具体的应用场景如下：2、中型光伏发电站中型光伏发电站的功率因数一般为0.8左右，在这种情况下引入无功补偿装置可以缓解电网负荷的过度增加，并保持电网电压的稳定。
3、小型光伏发电独立供电系统小型光伏发电独立供电系统的功率因数通常较低，如果不进行无功补偿，既会增加电网的无效功率，也会引起电网电压波动，从而影响其供电稳定性。
因此，在小型光伏发电独立供电系统中，引入无功补偿装置，可以保障系统的供电质量。
总之，无功补偿装置的应用对于光伏发电站的运行和电网的稳定至关重要。
在实践应用中，应根据发电站的规模和电网的负荷特征，合理选用无功补偿装置，并对其运行情况进行检测和维护，确保其正常运行，保障电网的供电质量。
2024年IGBT行业深度分析报告
随着信息技术的快速发展，智能化、数字化、自动化等要求的提出，以及能源需求和环境问题的日益突出，现代电力电子器件，IGBT （Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）市场面临着巨大的增长机遇。
一、市场状况分析IGBT作为一种高压大功率器件，其功率控制和开关能力相较其他传统硅功率器件有重要的优势，广泛应用于电力电子、新能源、电动汽车、通信等领域。
2024年，全球IGBT市场规模达到300亿美元，预计到2024年将增长至700亿美元。
亚太地区是全球最大的IGBT市场，占据了全球市场份额的50%以上。
二、IGBT行业的主要应用领域1.电力电子领域IGBT在电力变频调节、电力传输和配电、智能电网等方面具有重要应用。
传统发电厂、核电站以及新能源发电领域都需要使用IGBT进行功率调控。
2.新能源领域IGBT在风电、太阳能电站等新能源领域中，担负着将直流转化为交流的重要角色。
随着可再生能源的快速发展，IGBT市场需求逐渐增加。
3.电动汽车领域随着电动汽车产业的兴起，IGBT作为电动汽车的关键部件之一，其市场需求将大幅增长。
预计到2024年，电动汽车市场将占据全球IGBT市场份额的15%以上。
4.其他领域IGBT在电气照明、UPS（不间断电源）等应用领域中也有广泛应用。
三、市场竞争状况当前，全球IGBT市场竞争激烈，主要厂商包括国际业界知名的英飞凌、三菱电机、ABB、富士电机等公司。
中国的IGBT厂商也在加大研发力度，具备一定的市场竞争力。
不过，技术实力和产品品质仍是决定市场占有率的关键因素。
四、2024年IGBT发展趋势分析1.市场需求继续增长随着电力电子、新能源、电动汽车等行业的迅猛发展，对IGBT产品的需求将继续增长。
尤其是在新能源领域，政府对可再生能源产业的支持力度加大，将进一步推动IGBT市场的快速增长。
2.技术的不断突破IGBT的研发技术正在不断突破创新，如高压IGBT、高频IGBT等新型IGBT技术的应用，将为IGBT市场带来更多的应用场景和市场机会。
IGBT在光伏发电中的应用
2011/3/8
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300V
800V
How to increase solar inverter efficiency?
Vdc=500V I=213A
Static Loss FF200R12KE3 FF300R12KE3 FF400R12KE3 FF400R12KT3 FF450R12KT4 177 142 125 119 124
0,4 0,35
total switching losses
Esw (Eon+Eoff)
VCEsat vs. switching losses
0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05
HiPo
IGBT3 – E3 IGBT3 – T3
MePo
IGBT2 – DLC IGBT2 – DN2 IGBT2 – KS4
S2 S3
Cons
3 switches involved for energy transfer to the grid DC link Voltage window (Vacp=min Vdc)
Switched with 50Hz Switched with 16kHz S1 is used for ripple reduction and Efficiency improvement, no current is flowing to CBulk during commutation
Cons
6 switches DC link Voltage window (Vacp=min Vdc)
IGBT模块是什么？主要应用在那些领域？以及IGBT市场规模和发展方向
IGBT模块是什么？主要应用在那些领域？以及IGBT市场规模和发展方向IGBT(绝缘栅双极型晶体管），是由BJT(双极结型晶体三极管) 和MOS(绝缘栅型场效应管) 组成的复合全控型-电压驱动式-功率半导体器件,其具有自关断的特征。
简单讲，是一个非通即断的开关，IGBT没有放大电压的功能，导通时可以看做导线，断开时当做开路。
IGBT融合了BJT和MOSFET的两种器件的优点，如驱动功率小和饱和压降低等。
IGBT模块是由IGBT与FWD（续流二极管芯片）通过特定的电路桥接封装而成的模块化半导体产品，具有节能、安装维修方便、散热稳定等特点。
IGBT是能源转换与传输的核心器件，是电力电子装置的“CPU”。
采用IGBT进行功率变换，能够提高用电效率和质量，具有高效节能和绿色环保的特点，是解决能源短缺问题和降低碳排放的关键支撑技术。
IGBT是以GTR为主导元件，MOSFET为驱动元件的达林顿结构的复合器件。
其外部有三个电极，分别为G-栅极，C-集电极，E-发射极。
在IGBT使用过程中，可以通过控制其集-射极电压UCE和栅-射极电压UGE的大小，从而实现对IGBT导通/关断/阻断状态的控制。
1）当IGBT栅-射极加上加0或负电压时，MOSFET内沟道消失，IGBT呈关断状态。
2）当集-射极电压UCE＜0时，J3的PN结处于反偏，IGBT呈反向阻断状态。
3）当集-射极电压UCE＞0时，分两种情况：②若栅-射极电压UGE＜Uth，沟道不能形成，IGBT呈正向阻断状态。
②若栅-射极电压UGE＞Uth ，栅极沟道形成，IGBT呈导通状态（正常工作）。
此时，空穴从P+区注入到N基区进行电导调制，减少N基区电阻RN的值，使IGBT通态压降降。
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1200V High Power IGBT4- Softness measurement
f=5kHz IGBT
Dynamic Loss 100 92 87 73 62
m=0.88 Diode
Static Loss 23 21 19 19 21 Dynamic Loss 28 35 44 44 40
Typical curve Vcesat vs Tvj
Static Loss
FF200R12KE3 FF300R12KE3 FF400R12KE3 FF400R12KT3 FF450R12KT4 177 142 125 119 124
Solar solution
Solar inverter and Infineon solution
2011/3/8
Page 2
Table of contents
Topology in solar inverter High Efficiency Inverter Design Solution for solar inverter Application Support Competitor in Solar
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B6 Bridge
Pros
Harmonic Grid Control possible High DC- link voltage possible
Cons
DC link Voltage window Low efficiency
S2 S3
Cons
3 switches involved for energy transfer to the grid DC link Voltage window (Vacp=min Vdc)
Switched with 50Hz Switched with 16kHz S1 is used for ripple reduction and Efficiency improvement, no current is flowing to CBulk during commutation
E3 T3 KS4 DN2 DLC
0 1 2 3
Saturation voltage VCEsat [V]
4
Typical values @ Tvj=125°C
5
LoPo - IGBT4 Low Power MePo - IGBT4 Medium Power
V CEsat [V]
HiPo - IGBT4 High Power for PrimePACK for Electric Vehicle
1200V Medium Power IGBT4
Condition: Softness Vs. Vdc@Tvj=25℃, Inom=300A (FF300R12XX)
Vdc=700V IGBT3-E3
Vdc=800V
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IGBT-E4 E4 is slightly softer than E3;
2011/3/8
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Losses Chain in Solar inverter
Low losses on Semiconductor Low Power on colling system
-15% LoPo Eoff
-20% Eoff
IGBT4 High Power: improved softness IGBT4 Medium Power: lower switching losses than E3 with the same softness IGBT4 Low Power: lower switching losses than T3 with the same switching characteristic
S1
S2
S3
S4
S5
S6
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Table of contents
Topology in solar inverter High Efficiency Inverter Design Solution for solar inverter Application Support Competitor in Solar
Cons
transformer & switch losses Number of Switches
Switched with 50Hz Switched with 16kHz Switched with 30.. 150kHz S1 S2 S3 S4 D1 D3 D2 D4 S5 S6 S7 S8
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Heric- Bridge
Pros
Only 1 switch active in free wheeling phase
Asymmetric HF modulation possible Very high efficiency , Peak efficiency 98%+
Condition:
Turn off characteristic for 2400A-Modules without active clamping control.
(Rg=0.3Ω, Io=1/2Inom, Tvj=25℃)
IGBT3
IGBT4
1200A
1176V 1200A
250V
P4 is softer than E3;
1200V IGBT chip for different application
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1200V Low Power IGBT4
Condition: Turn-off process of IGBT4 vs.IGBT3 under untypical test for extremely high parasitics stray inductance; (Ta=25°C, Inom=150A, Lδ=200nH, Vce=400V/450/500V)
One phase chopping HF chopping on S2 and S4 LF chopping on S1 and S3 No current flow back to C1 and ripple reduction Peak efficiency 94%+
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Dynamic Loss
100 92 87 73 62
Next Better
100% 85% 91% 91% 96%
Last best
100% 85% 77% 70% 67%
/ us
T4 is slightly softer than T3;
Approx switching losses Eoff is reduced by 15% ;
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NPC 3-level
IGBT sustain ½ Vdc-link Split Bulk of capacitance, middle point connected to earth Asymmetrical Boost stage Peak efficiency 98%+
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Double boost + H-bridge
Syቤተ መጻሕፍቲ ባይዱmetrical chopping
HF chopping on all switches Individual MPPT per module
Maximum power output from each PV panel
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EFFICIENCY
Low loss on filter Low loss on transformer
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How to increase solar inverter efficiency?
T type 3-level
IGBT switch at ½ Vdc-link, but should sustain Vdc-link when turn off Split Bulk of capacitance, middle point connected to earth Asymmetrical Boost stage Peak efficiency 98%+