適用于儲能及可再生能源應用的超緊湊單板驅動器來了

前言

由于技術進步、政策支持、市場需求增長等多種因素的共同作用，全球儲能市場正處于一個快速發(fā)展階段。根據(jù)機構數(shù)據(jù)，該市場的同比增長率為21%。例如，特別是在可再生能源占比較高的地區(qū)，儲能系統(tǒng)可以幫助平衡電網(wǎng)負荷，提高電力供應的穩(wěn)定性。此外，電動汽車的普及也帶動了儲能市場的增長。

事實上，儲能系統(tǒng)安裝在集成度較高或者空間有限的場合中，需要利用緊湊的單板驅動器來優(yōu)化整體布局，提高系統(tǒng)的空間利用率；還要通過高效能量轉換提高儲能系統(tǒng)的整體效率；為保證儲能系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定地運行，對驅動器的可靠性要求也非常高；另外，還要易于安裝和維護。

Power Integrations（PI）日前推出SCALE-iFlex XLT系列雙通道即插即用型門極驅動器，適用于1.2kV至2.3kV的單個LV100（三菱）、XHPTM 2（英飛凌）、HPnC（富士）以及耐壓高達2.3kV的同類外形尺寸的半導體功率模塊。

PI門級驅動器部門系統(tǒng)工程師經(jīng)理王皓在介紹這款新產(chǎn)品時表示：“我們推出的超緊湊單板驅動器可對逆變器模塊進行主動溫升管理，從而提高系統(tǒng)利用率，并簡化物料清單（BOM），以提高逆變器系統(tǒng)的可靠性。該系列產(chǎn)品適用于儲能系統(tǒng)及風電和光伏可再生能源等應用。”

01

擴展現(xiàn)有SCALE-iFlex系列應用范圍

據(jù)王皓介紹，SCALE-iFlex XLT結構極為緊湊，可以適配IGBT模塊的形狀，同時集成了溫升檢測功能。從應用角度來說，這款產(chǎn)品可以采集目標IGBT的溫度信號，實現(xiàn)溫度控制。

目前，國內(nèi)的儲能應用的最大母線電壓一般為1500V，其單機容量從工商業(yè)儲能的100kW-300kW，覆蓋到集中式儲能的1.5MW-1.75MW。除了儲能市場外，使用1500V母線電壓的還有新能源光伏應用、戶儲/商儲等。只要是1500V母線電壓，都可以用到PI這款產(chǎn)品。

PI的SCALE-iFlex 家族有幾個系列，SCALE-iFlex XLT是最新的產(chǎn)品。其關鍵指標之一是支持2.3kV最高耐壓。整個家族的不同系列覆蓋不同的應用場景。

02

SCALE-iFlex XLT特點鮮明

王皓解釋說，適合新能源和儲能系統(tǒng)應用的SCALE-iFlex XLT的第一個特點是結構極為緊湊，可使用單個PCBA（印刷電路板組件），用更少的元件實現(xiàn)更高的可靠性。由于支持最高模塊耐壓等級是2.3kV，同時支持1200V和1700V同樣管腳布置的IGBT模塊，向下兼容兩電平和三電平拓撲。

IGBT和驅動器共為一組，組成一個最小的三電平功率單元系統(tǒng)。也就是說，可以用三個模塊配上三個SCALE-iFlex XLT驅動器，然后通過合理的母排設計，再加上母線電容，就組成了一個最小的三電平ANPC功率模組。很明顯，PI的驅動器和IGBT的外部尺寸完全契合。

“只要IGBT結構尺寸跟這個產(chǎn)品相契合，就可以電氣兼容2.3kV。其適用的模塊結構尺寸涵蓋目前市面上通用的IGBT模塊形狀，如三菱的LV100、英飛凌的XHP 2和富士的HPnC等。”他說。

新的門極驅動器還在緊湊的設計中提供了最有效的保護——退飽和檢測的短路保護功能；同時，也可以提供三防漆選項，保護驅動器在更惡劣環(huán)境下可靠地工作。

03

集成隔離溫度檢測功能的好處

NTC讀取功能是SCALE-iFlex XLT的另一個特色。傳統(tǒng)的數(shù)字隔離方案一般需要游離于驅動器的隔離變壓器，以創(chuàng)建額外的隔離溫度采樣能力，客戶不得不自己開發(fā)一個專門的NTC隔離系統(tǒng)。而SCALE-iFlex XLT將NTC擴展到了較高的2.3kV耐壓系統(tǒng)。

該系列產(chǎn)品提供了隔離溫度檢測讀取功能，即NTC，為目標功率模塊提供內(nèi)置的負溫度系數(shù)熱敏電阻。將驅動器和IGBT的NTC引腳相連，就可以直接通過驅動器隔離為驅動器原邊提供NTC信息。這樣就可以減少線纜的使用，降低電弧風險。

王皓說，傳統(tǒng)解決方案因為NTC和IGBT是一個整體，做NTC檢測就需要隔離。如果驅動器不帶NTC功能，客戶系統(tǒng)又需要監(jiān)測NTC信息，就需要額外通過一根電纜連到另一個電路，而這個電路需要有專門的NTC隔離，才能把溫度信號提供給控制端進行NTC溫度采樣。

現(xiàn)在，SCALE-iFlex XLT直接將NTC的隔離和驅動板本身的驅動信號隔離集成在一起，形成一個集成的隔離方案。將隔離的溫度信號傳給控制端，即可實現(xiàn)變換器系統(tǒng)控制端的監(jiān)測和精確溫升管理。

溫度控制或監(jiān)控精度比較高，溫度控制就會比較好，可以讓IGBT在更高結溫下工作，例如可以讓IGBT工作結溫提高30℃。這有助于系統(tǒng)設計人員優(yōu)化熱設計，并在相同硬件的基礎上將變換器的功率提高25%至30%，優(yōu)化IGBT模塊的利用率。隔離的NTC讀取功能還可降低逆變器系統(tǒng)硬件設計的復雜性，省去多個電纜、連接器和額外的安全隔離電路。

04 兩電平與三電平拓撲皆可用

在傳統(tǒng)兩電平拓撲結構中，如果用的是1700V模塊，SCALE-iFlex XLT可以提供加強絕緣等級。利用加強絕緣，客戶的整機應用的絕緣設計難度就會變小，只做一層簡單的基本絕緣即可。

針對越來越多的場景使用三電平結構的情況，如果和兩電平使用同樣的模塊，最終系統(tǒng)母線電壓就會翻倍。例如，使用1200V IGBT，兩電平結構的母線電壓在800V左右，而三電平系統(tǒng)的母線電壓會達到1600V。這時，整個系統(tǒng)的絕緣要求也會發(fā)生變化。基于SCALE-iFlex XLT的緊湊設計，三電平1200V和2.3kV均滿足基本絕緣要求。

王皓解釋說：“SCALE-iFlex XLT針對的是單管應用，因為客戶希望用IGBT模塊做一個非常緊湊的整機設計，而不會使用兩個IGBT并聯(lián)，所以絕緣要求并不高。如果要在有限的空間里加大功率，就會選擇2.3kV?！?/p>

值得一提的是，PI的全部產(chǎn)品都經(jīng)過了出廠測試，包括高壓絕緣測試和局部放電測試兩個指標，可保證每個產(chǎn)品都滿足嚴格的絕緣和安規(guī)要求。

另外，在有限的面積內(nèi)，PI同樣提供了每通道1W的門極驅動功率，驅動電流高達15A，同時具備退飽和和檢測短路保護的功能。這樣就可以保證在短路條件下對IGBT進行保護。PI在驅動器可以利用的空間內(nèi)使用單板加上一個變壓器的方案實現(xiàn)了上述功能。

05

單PCBA優(yōu)勢明顯

事實上，要為新型雙通道IGBT模塊構建單板門極驅動器是一項挑戰(zhàn)。PI的新款SCALE-iFlex XLT門極驅動器采用單PCBA結構，實現(xiàn)了緊湊的結構，完全與模塊尺寸契合，可輕松完成功率模塊與驅動器的安裝，從而為逆變器系統(tǒng)設計人員提供了極高的機械設計自由度。

王皓解釋道，要實現(xiàn)與SCALE-iFlex XLT相似的功能，傳統(tǒng)門極驅動器必須增加子板，需要更多的空間、更高的高度、更多的元件數(shù)。與傳統(tǒng)的堆疊板式方案相比，SCALE-iFlex XLT形成了一個完整的方案。其絕對優(yōu)勢體現(xiàn)在高度方面，它比兩層板的疊層設計低很多，只有31mm。

基于緊湊型方案，SCALE-iFlex XLT的器件數(shù)量也少很多?！斑@對傳統(tǒng)的門極驅動器來說是一個非常大的優(yōu)勢，如果是1500V的ESS系統(tǒng)，又需要整機非常緊湊時，每個IGBT周圍都有母排設計，上下左右的空間都要考慮。采用這個緊湊型方案體現(xiàn)的優(yōu)勢比較明顯?！彼f。

王皓總結道，SCALE-iFlex XLT采用PI的SCALE-2芯片組，可最大限度地減少元件數(shù)量，簡化結構設計，提高可靠性，并很好地與IGBT的尺寸相匹配。新款門極驅動器具有非常好的絕緣性能，可以支持高達2.3kV，有足夠的功率來驅動門級器件。

該系列產(chǎn)品可以提供溫升管理功能，在配合合適的系統(tǒng)溫度監(jiān)控策略的前提條件下，將變換器的功率提高多達30%；其短路保護功能有助于保護功率開關器件。

他還表示，上述產(chǎn)品不僅適用于硅IGBT，也可用于碳化硅MOSFET，但目前的主流應用趨勢仍然是硅IGBT。該方案適配碳化硅模塊也是沒有任何問題的，只是看應用端有沒有這樣的需求。

他最后透露了這款產(chǎn)品的生產(chǎn)進度，目前計劃是在2024年第四季度量產(chǎn)，現(xiàn)在正在進行產(chǎn)品級別的可靠性測試，并可為客戶提供樣品。

審核編輯：劉清