風(fēng)力發(fā)電機專(zhuān)用IGBT模塊 SKIIP1513GB172-3DL SKIIP1213GB123-2DL V3
在兆瓦級，大功率電力電子應用中需要大容量的半導體器件。然而，對于某些應用來(lái)說(shuō)，即使是目前可以得到的*大半導體器件容量也不夠大。因此需要將它們并聯(lián)。在傳統的電力電子電路中將半導體器件并聯(lián)是非常普遍的。
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現在討論一種可能的方案：電力電子裝配把包含IGBT和二極管的IGBT基本單元、散熱器、直流環(huán)節電容、驅動(dòng)器和保護電路、輔助電源和PWM控制器（一個(gè)獨立單元）組裝在一個(gè)三相逆變器中。這些單元可以并聯(lián)，例如用于一臺帶永磁發(fā)電機的4象限驅動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機和所展示的全功率4兆瓦變換器。
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本文介紹一種在中壓范圍內得到更大風(fēng)力發(fā)電功率的方法。該方法使用變速中壓永磁發(fā)電機的線(xiàn)路接口連接，沒(méi)有任何電壓和功率限制，并且采用已經(jīng)證明有效的半導體器件和組件。將基本電力電子單元串聯(lián)以獲得更高的電壓，并聯(lián)以獲得更高的功率等級。
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2 不同阻斷電壓下IGBT效率的對比
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IGBT在電力電子電路中使用非常廣泛。如今有各種電壓等級的IGBT，廣泛用于工業(yè)應用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中壓IGBT。那么哪種電壓等級*適合大功率應用呢？當上述IGBT被放置在目前可得到的*大外殼中以制造逆變器時(shí)，可以找到這個(gè)問(wèn)題的答案。當然，在*優(yōu)工作條件下模擬可用功率更簡(jiǎn)單。
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為了做到這一點(diǎn)，選用了*大的標準外殼（IHM，190mm寬）。IGBT都被封裝在這個(gè)外殼中，并定義了*佳工作條件：直流運行電壓Vdc、,交流輸出電壓Vac、載波開(kāi)關(guān)頻率3.6 kHz以及盡可能好的冷卻條件。圖1顯示了基于給定參數而計算出的不同IGBT的可用功率。
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結果顯示，采用3.3 kV、1200 A獨立模塊得到的*大功率約為采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模塊所提供的功率僅為1.7 kV IGBT的四分之一。產(chǎn)生這一結果的原因是IGBT模塊的損耗。如果計算圖2中三個(gè)變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4。
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對于這個(gè)對比，我們使用了相同的載波開(kāi)關(guān)頻率fsw = 3.6kHz。這使得我們有機會(huì )采用相對較小的濾波器設計逆變器。使用不同的載波開(kāi)關(guān)頻率，將導致所用的輸出正弦濾波器不同?；谏鲜龇N種原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可實(shí)現*大效率，它是一款單位模塊價(jià)格非常合理的標準工業(yè)產(chǎn)品。?
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不同阻斷電壓下IGBT效率的對比.
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運行條件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9，相同模塊和冷卻條件下三相逆變器的運行
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1.7 kV IGBT封裝在不同的模塊外殼中。為了對比，我們可以采用*大的單管模塊IHM 2.4kA、?? 1.7kV，將兩個(gè)這樣的模塊和一個(gè)尺寸與長(cháng)度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個(gè)SKiiP在散熱器上背靠背放置，則可得到一個(gè)電流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半橋（外殼溫度= 25 ℃時(shí) ），或者電流為 2.25kA的半橋（外殼溫度為70 ℃時(shí)）。
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兩個(gè)單管模塊將提供一個(gè)2.4kA的半橋。比較計算的結果可以看到，與放置在*大外殼中的標準模塊相比，采用SKiiP的方案可在整個(gè)開(kāi)關(guān)頻率范圍內提供更高的輸出電流?？捎媚孀兤鬏敵龉β逝c開(kāi)關(guān)頻率的關(guān)系見(jiàn)圖3。
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如果采用了更強大的SKiiP模塊，如使用氮化鋁作為陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV，可從三相逆變器獲得更高的功率，即1800 kVA。
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圖4?? 配備了1800 kVA基本單元的示例
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3 并聯(lián)IGBT模塊
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以下方案對于IGBT模塊的并聯(lián)運行是可行的。
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?、拧∫慌_三相逆變器用于整個(gè)功率的提供，相腳是由許多并聯(lián)的IGBT模塊和一個(gè)強大的驅動(dòng)器組成。每個(gè)IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對稱(chēng)直流環(huán)節和交流輸出連接。[1]
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?、? 三相IGBT基本單元硬并聯(lián)。
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整個(gè)系統是通過(guò)一臺控制器及其PWM信號控制。所有三相逆變器都連接到一個(gè)公共的直流環(huán)節電壓。對于每個(gè)獨立基本單元驅動(dòng)器，采用驅動(dòng)器并聯(lián)板實(shí)現并聯(lián)。驅動(dòng)器工作時(shí)間小的變化（小于100ns ）是通過(guò)小的交流輸出扼流圈進(jìn)行補償的（電感< 5 μH）。所有的三相逆變器同時(shí)運行，但存在小的時(shí)延，小時(shí)延可通過(guò)額外的交流扼流圈進(jìn)行補償。采用對稱(chēng)布局和IGBT飽和壓降的正溫度系數來(lái)保證適當的負載電流均衡。[2]
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第2項所述的系統每個(gè)基本單元附帶PWM信號的附加校正。并聯(lián)基本單元的精確負載電流均衡是由附加PWM校正控制的。
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將幾個(gè)帶同步PWM的單元并聯(lián)運行，且用附加PWM控制消除循環(huán)電流。[3]
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每個(gè)基本單元都使用電氣負載隔離。各個(gè)基本單元都有自己的控制器，通過(guò)絕緣繞組給負載提供電力。PWM是獨立的、非同步的、自由運行的信號，且每個(gè)基本單元都有自己?jiǎn)为毜闹绷鳝h(huán)節。在電網(wǎng)側，每個(gè)基本單元有自己的正弦LC濾波器。假如輸出也是電氣隔離的，則不同直流環(huán)節間不存在循環(huán)電流。 這是將帶有標準獨立控制器的標準獨立基本單元并聯(lián)起來(lái)的*簡(jiǎn)單的方法。一個(gè)基于發(fā)電機側電氣隔離的簡(jiǎn)單設計如圖5所示 。三個(gè)并聯(lián)的帶分立電機繞組的獨立4象限驅動(dòng)器。該驅動(dòng)器可以和一個(gè)或兩個(gè)驅動(dòng)器并聯(lián)運行。
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三個(gè)1500kVA 4Q驅動(dòng)單元連接到永磁風(fēng)力發(fā)電機單獨的繞組上。每個(gè)4象限驅動(dòng)器都是標準的，擁有自己的發(fā)電機側和電網(wǎng)側控制器。第四個(gè)控制器的目的是提供統一的發(fā)電機扭矩共享。萬(wàn)一運行過(guò)程中一個(gè)4象限驅動(dòng)器出現了問(wèn)題，其余驅動(dòng)器的運行不會(huì )被中斷。所描述的系統已應用于3.6MW風(fēng)力發(fā)電機，該風(fēng)力發(fā)電機擁有一臺帶有三個(gè)獨立繞組的永磁發(fā)電機。該系統為*多達12個(gè)四象限驅動(dòng)器并聯(lián)而研制，可用于連接12臺發(fā)電機或12個(gè)發(fā)電機繞組。[4]
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4 基本單元的串聯(lián)
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風(fēng)力發(fā)電機設計工程師需要將以下諸方面考慮到他們的設計中。
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?、?大功率風(fēng)力發(fā)電機；
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?、?低損耗；
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?、?變速；
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?、?高效率；
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?、?采用經(jīng)驗證有效的半導體元件；
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?、?使用簡(jiǎn)單的線(xiàn)變壓器，得到純凈的正弦波電流；
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?、?線(xiàn)路功率因數良好且總諧波失真??；
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?、?有功和無(wú)功功率控制；
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?、?模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；?
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?、?可靠性高；
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?、?*低的成本。
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可選的*佳方案：中壓發(fā)電機。 在未來(lái)的大功率風(fēng)力發(fā)電機設計中，中壓發(fā)電機是必不可少的。然而，中壓硅片并不適用于此類(lèi)應用。因此，正確的解決方案是將基本單元串聯(lián)起來(lái)。例如：一臺額定輸出電壓為6.3 kV的5MW風(fēng)力發(fā)電機，輸出電流為3 x 436 Arms。整流過(guò)的變速發(fā)電機電壓為1kV～10 kV的直流電壓。
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這樣變化的電壓如何才能連入電網(wǎng)？每個(gè)風(fēng)力發(fā)電機需要有自己的變壓器用來(lái)與電網(wǎng)相連。電網(wǎng)的電壓應在20kV-30kV范圍，這應該是變壓器的輸出電壓。
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變壓器可由幾個(gè)三相繞組組成，這里用了10個(gè)，每個(gè)為3 x 690 V，作為輸入電壓。
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5 基于單元的中壓風(fēng)力發(fā)電機
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新型中壓風(fēng)力發(fā)電機的原理如圖6所示。
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每個(gè)三相繞組附帶一個(gè)基本單元和一個(gè)600kVA的三相逆變器。第四個(gè)IGBT管腳可被連接到每個(gè)基本單元的前面，這種排列可被稱(chēng)為中壓?jiǎn)卧?。所有單元都可如圖6所示串聯(lián)起來(lái)。如果第四管腳的IGBT開(kāi)關(guān)是關(guān)斷的，發(fā)電機的直流電流將對單元直流環(huán)節電壓進(jìn)行充電。單元電網(wǎng)側三相逆變器放電，控制自己的直流環(huán)節電壓。對于3 x 690V交流電壓，直流環(huán)節電壓將為1.05kV。10個(gè)串聯(lián)的基本單元可以產(chǎn)生高達10 ×1.05 kV = 10.5kV的反電動(dòng)勢（EMF）。電壓仍然與整流后的發(fā)電機電壓保持平衡。如果發(fā)電機轉速下降，發(fā)電機電壓也會(huì )變低。因此，為控制整流后的直流電流，也是為控制發(fā)電機的轉矩，不得不旁路掉部分單元。如果旁路掉5個(gè)單元，剩余的反電動(dòng)勢是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的單元會(huì )增加直流電流和發(fā)電機轉矩。被旁路掉的單元可向電網(wǎng)提供全部的無(wú)功功率。如果某個(gè)單元失效，它也將被旁路掉。單元直流環(huán)節電壓*大值是1.2 kV ，因此即使僅有9個(gè)單元串聯(lián)也可承載高達9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后發(fā)電機電壓。
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6 帶中壓同步發(fā)電機的變速風(fēng)力發(fā)電機
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帶中壓同步發(fā)電機的變速風(fēng)力發(fā)電機特點(diǎn)如下。
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?、?發(fā)電機直流電壓范圍從0至Vdcmax;
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?、?每單元直流電壓1.05 kV（采用1.7 kV硅片）；
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?、?Vdc max. per cell = 1.2 kV；
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?、?單元數量= Vdcmax/Vcell+1；
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?、?單元功率：Pgenmax/單元數量；
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?、?系統冗余 (+1)；
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?、?單元導通時(shí)間在0%-100%之間變化；
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?、?關(guān)斷的單元可以產(chǎn)生全部的無(wú)功功率；
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?、?不論功率高低，效率都高 ；
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?、?線(xiàn)路測紋波頻率 = Ncell × Fswcell；
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?、?簡(jiǎn)單的網(wǎng)側變壓器。
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7 結論
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大功率應用使用多個(gè)IGBT模塊。然而，使用更多的帶獨立控制的開(kāi)關(guān)要好的多。例如，用幾個(gè)并聯(lián)或串聯(lián)的單元而不是一個(gè)巨大的單個(gè)單元。
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優(yōu)點(diǎn)如下：
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?、?線(xiàn)路的功率因數好、電流總諧波失真小、開(kāi)關(guān)頻率更低、更少的無(wú)源器件；
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?、?模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；
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?、?采用經(jīng)驗證有效的半導體元件；
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?、?更高的效率；
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?、?高可靠性；
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?、?極低的每kW成本。
