英飞凌大功率高效光伏逆变器解决方案

出，在工作结温 125 度下，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的4 倍，如果PrimePACK?的工作结温提高到150 度，PrimePACK?的功率周次是以前IGBT2 和IGBT3 的2 倍。

PrimePACK™为了获得更高的温度周次做了很多改进：利用增强型 作为衬底来减小铜基板和衬底之间的热膨胀系数；在铜基板和衬底之间加了支架使得铜基板和衬底之间的焊接更加均匀；功率端子和衬底之间运用超声波焊接工艺。所有这些使得PrimePACK?的温度周次和 IHM 相比明显提高（如图 5 所示），虽然它的温度周次没有达到牵引级标准（AlSiC 加AlN 衬底，价格很贵），但是毫无疑问PrimePACK?性价比最好。

由于PrimePACK™功率周次和温度周次的改进，使得光伏逆变器中的IGBT 模块的寿命足已达到20 年以上（电池板使用寿命20 年），能很好地配合整个光伏系统的持久安全运行。

4 PrimePACK™在大功率光伏逆变器中的应用目前PrimePACKTM 在 100KW 及其以上功率的大功率光伏逆变器中已得到了广泛应用，已成为这个功率等级的光伏逆变器的主流功率器件。

4. 1）PrimePACK™封装的应用

PrimePACK™ 是一款比较大的封装，根据电流等级的大小分别设计了 PrimePACK 和 PrimePACK™ 3 封装。

对于 1200V/450A IGBT 模块我们分别采用两种不同封装IGBT 模块来对比(见图6)，即EconoDUAL3 封装(铜基板面积 122*62mm )的FF450R12ME4 和 PrimePACK™2封装(铜基板面积 172*89mm )的FF450R12IE4。

以100kw 光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500V,有效电流 Irms=213A, 开关频率fsw=5KHz,开通关断门极电阻Rgon/off=2.5/3.1，EconoDUAL3 的散热器到环境的热阻为利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表1所示（都是基于一个IGBT单元的损耗仿真）：

很明显 PrimePACK™2 由于铜基板面积大，壳到散热器的热阻Rthch 是 EconoDUAL3的一半，所以在相同损耗和相同环境温度下，PrimePACK™2 的结温要低，反过来使得IGBT芯片的饱和压降和开关损耗都降低，使总损耗降低，可以发现使用相同的驱动电阻FF450R12IE4 要比FF450R12KE4 整机效率提高0.15％。

注：

IGBT conduction loss----IGBT 导通损耗；IGBT switching loss----IGBT 开关损耗；

Rthjc(per IGBT)----IGBT 芯片结对壳的热阻；Diode conduction loss----二极管导通损耗；

Diode switching loss----二极管开关损耗；Rthjc(per Diode)----二极管芯片结对壳的热阻；Rth heatsink(per arm)---- 散热器对每个IGBT 和二极管单元的的热阻；Total loss----总损耗； Tj----结温

4.2）大电流等级的PrimePACK?在光伏逆变器中的应用

光伏逆变器不同于普通逆变器，它追求高效率，因此对 IGBT 要求损耗要小，图 7 是FF600R12IE4 和 FF900R12IE4 的Vcesat--Ic(饱和压降－电流) 曲线图，从图上可以看出对应于 150℃结温下 600A 电流，FF900R12IE4 的饱和压降为 1.6V,FF600R12IE4 的饱和压降为2.1V, 因此导通损耗相差很大。

以200kw 光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500v,有效电流 Irms=426A, 开关频率 fsw=5KHz,开通关断门极电阻 Rgon/off=1.8/2.2，利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表2 所示（都是基于一个IGBT 单元的损耗仿真）：

5.PrimePACK™的最新发展

由于传统 IGBT 和二极管芯片的损耗限制，大功率光伏逆变器的开关频率一般不超过5KHz,带来的问题就是滤波器电感体积大，损耗也大，因此 IGBT 和二极管芯片的开关损耗成为制约逆变器开关频率提高的瓶颈，为了突破这一瓶颈，英飞凌推出了 KS4 的 IGBT 芯片和SiC 二极管芯片组合，并用PrimePACK™2 封装，型号为FF600R12IS4F。

KS4 芯片是英飞凌最快的IGBT 芯片，关断损耗很小，适合高频应用中开关损耗占大部分损耗的场合，SiC 二极管的反向恢复损耗为零，只有的很小的寄生电容的反向损耗，因此两者组合特别适合高频应用，频率越高，优势越明显。

我们以FF600R12IE4 和FF600R12IS4F 为例作对比，如表3 所示，FF600R12IS4F 无论IGBT 的开关损耗还是二极管的反向恢复损耗都大幅降低。

Eon—开通损耗；Eoff—关断损耗；Erec—反向恢复损耗；Qr—反向恢复电荷。

还是以 100kw光伏逆变器为例，工作参数：母线电压Vdc=500v,有效电流Irms=213A,在不同的开关频率利用英飞凌的损耗和热仿真软件IPOSIM 得到仿真结果如表4 所示（都是基于一个IGBT 单元的损耗仿真）：

fsw—开关频率；Total Loss—总损耗；Tvj—工作结温。

可以看出随着开