【導讀】鑒于迫切的環(huán)境需求，我們必須確保清潔能源基礎設施的啟用，以減少碳排放對環(huán)境的負面影響。在這一至關(guān)重要的舉措中，風力發(fā)電技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色，并已處于領先地位。在過去的20年中，風力渦輪機的尺寸已擴大三倍，其發(fā)電功率大幅提升，不久后將突破15MW的大關(guān)。因此，先進風能變流器的需求在不斷增長。這些變流器在惡劣境條件下工作，需要高度的可靠性和堅固性，以確保較長的使用壽命。為了在限制機柜內(nèi)元件數(shù)量的情況下最大化功率輸出，我們需要采用高功率密度設計。鑒于需求的持續(xù)增長，我們的大規(guī)模生產(chǎn)能力顯得尤為關(guān)鍵通過對現(xiàn)有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風險，還能縮短開發(fā)時間，最終達到優(yōu)化設計和開發(fā)流程的目的。
本文由英飛凌科技的現(xiàn)場應用工程師Marcel Morisse與高級技術(shù)市場經(jīng)理Michael Busshardt共同撰寫。
鑒于迫切的環(huán)境需求，我們必須確保清潔能源基礎設施的啟用，以減少碳排放對環(huán)境的負面影響。在這一至關(guān)重要的舉措中，風力發(fā)電技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色，并已處于領先地位。在過去的20年中，風力渦輪機的尺寸已擴大三倍，其發(fā)電功率大幅提升，不久后將突破15MW的大關(guān)。因此，先進風能變流器的需求在不斷增長。這些變流器在惡劣境條件下工作，需要高度的可靠性和堅固性，以確保較長的使用壽命。為了在限制機柜內(nèi)元件數(shù)量的情況下最大化功率輸出，我們需要采用高功率密度設計。鑒于需求的持續(xù)增長，我們的大規(guī)模生產(chǎn)能力顯得尤為關(guān)鍵通過對現(xiàn)有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風險，還能縮短開發(fā)時間，最終達到優(yōu)化設計和開發(fā)流程的目的。
英飛凌PrimePACK?產(chǎn)品采用IGBT5.XT技術(shù)（FF1800R17IP5），堪稱應對各項挑戰(zhàn)的卓越解決方案。自2016年發(fā)布以來，該模塊已成為風力變流器中的標準選擇。先進的互連技術(shù)與優(yōu)化的芯片設計，不僅確保了卓越的可靠性，同時也實現(xiàn)了高功率密度的特性。
盡管如此，鑒于全球面臨的挑戰(zhàn)，我們始終持續(xù)地進行改進。鑒于現(xiàn)代風力變流器系統(tǒng)的特定運行條件，英飛凌針對性地研發(fā)了兩款優(yōu)化的IGBT功率模塊。新模塊在保持FF1800R17IP5 PrimePACK? IGBT功率模塊優(yōu)點的同時，進一步實現(xiàn)了更高功率密度。
在本文中，我們詳細描述了優(yōu)化過程的關(guān)鍵組件，并對開發(fā)過程中的重點進行了評述。此外，風能變流器性能的提升效果在成果中得到了鮮明的體現(xiàn)。最后，我們將簡要探討其他應用同樣可以從英飛凌PrimePACK?產(chǎn)品系列新增內(nèi)容中獲益的途徑。
在考慮風能變流器系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)時，目前可以明顯觀察到變流器組件向模塊化設計及標準化的趨勢發(fā)展。這種方法在滿足日益增長的功率需求的同時，也能有效縮短開發(fā)周期。它還支持同一功率組件的重復多次利用，適用于具備更高功率等級的風力渦輪機。由于風力渦輪機機艙內(nèi)空間有限，因此增加機柜數(shù)量可能不現(xiàn)實。因此，為提高各個組件的功率密度是必要的。
在風能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，機側(cè)交流變流器（MSC）與網(wǎng)側(cè)交流變流器（LSC）的電氣需求存在明顯不同，這是需要重點考慮的另一個重要方面。對圖1所展示的全額定變流器系統(tǒng)而言，這一特點表現(xiàn)得尤為明顯。由于功率流從發(fā)電機至直流母線，直流母線中的二極管承受最大負載。另一方面，在LSC中，由于電能流向交流電網(wǎng)，IGBT成為功率模塊內(nèi)承受應力最大的芯片。
圖1：全功率型風力渦輪機系統(tǒng)的拓撲原理圖
鑒于需求存在差異，我們開發(fā)了兩個針對性優(yōu)化的功率模塊，分別針對發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)逆變器進行優(yōu)化，以便更好地滿足其特定需求，并基于FF1800R17IP5標準模塊進行設計。以下部分將深入探討定義并優(yōu)化這兩個功率模塊的兩個關(guān)鍵步驟。
對于風能應用，采用高開關(guān)頻率能夠降低發(fā)電機損耗，并有助于保持變流器柜內(nèi)電網(wǎng)側(cè)濾波器的合理尺寸。通常情況下，與具有相似功率級別的通用電機驅(qū)動逆變器相比，開關(guān)頻率明顯要高得多。
在考慮IGBT技術(shù)的特定情況下，應注意到開關(guān)損耗與導通損耗之間往往需要做出權(quán)衡（見圖2）。在優(yōu)化的IGBT5芯片中，為了支持更高的開關(guān)頻率，我們調(diào)整了折衷曲線，使其偏向于降低開關(guān)損耗的方向。鑒于LSC和MSC均需承受IGBT的高開關(guān)損耗，為此對這兩個模塊進行了優(yōu)化調(diào)整，以應對位于兩個不同位置的變流器需求。由于VCE飽和電壓的增加，我們通過采取額外的設計措施，實現(xiàn)了對其升高的部分補償[2,3,4]。圖2呈現(xiàn)了IGBT的優(yōu)化結(jié)果。
圖2：用于LSC和MSC模塊的IGBT5芯片的動態(tài)損耗折衷。
為了針對變換器進行專門優(yōu)化，從而進一步提高模塊的性能表現(xiàn)，我們調(diào)整了芯片的尺寸，以減少芯片的通態(tài)損耗，并針對承受最重負載的芯片，進一步提升了其熱導率。如圖3所示，LSC專用模塊的芯片尺寸比例傾向于采用更大的IGBT，而MSC專用模塊則集成了較大的二極管。為了優(yōu)化LSC而進行的這兩項設計改進，引入了兩個模塊：針對LSC進行優(yōu)化的FF2000XTR17IE5模塊，以及針對MSC進行優(yōu)化的FF1700XTR17IE5D模塊。
圖3：與基準模塊相比，LSC和MSC專用模塊的芯片尺寸比例不同。
圖4展示了在風力變流器系統(tǒng)的典型應用中，這兩個專門設計功率模塊的優(yōu)勢所在。表1列出了仿真依據(jù)的相應操作條件。需要注意的是，與圖4所示的標準模塊相比，變流器功率的顯著增加僅通過更換功率模塊來實現(xiàn)，變流器和控制的其他元件均保持不變。
圖4：采用LSC/MSC專用模塊，對風能系統(tǒng)進行模擬，其功率表現(xiàn)相較于標準模塊有了顯著提升。
表1：基準的LSC（左列）和MSC（右列）系統(tǒng)參數(shù)。DPWM命名法根據(jù)[5]
在此使用場景中，最大虛擬結(jié)溫（Tvj,max）是限制變流器功率的設計參數(shù)。所有采用IGBT5.XT技術(shù)的PrimePACK?模塊，在設計上最大溫度限定為175°C。然而，在此次仿真中，為了給過載和故障條件留出設計余量，溫度被限制在145°C。
在風能系統(tǒng)設計中，生命周期要求作為典型的設計參數(shù)，需要考慮功率半導體模塊所承受的循環(huán)加載應力，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。鑒于風力發(fā)電機周圍風況的變化，以及與潛在低頻發(fā)電機頻率的結(jié)合，這一因素尤為重要。然而，對于采用IGBT5? XT技術(shù)的PrimePACK??產(chǎn)品，例如本文提到的模塊，在負載頻繁變化的嚴酷應用中，這并不會構(gòu)成問題。這里，.XT互連和IGBT5芯片技術(shù)在循環(huán)負載魯棒性方面，實現(xiàn)了卓越的性能[6]。
關(guān)于FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的性能優(yōu)勢，我們目前僅從單一穩(wěn)定工作點進行了考量。實際上，如文獻[4]所述，考慮了由風速和電網(wǎng)需求共同決定的現(xiàn)場工作點，由此得出了針對不同發(fā)電機轉(zhuǎn)速下LSC和MSC的一系列變流器電流組合。這些不同的工作條件導致不同的結(jié)溫 Tvj,max。圖5和圖6顯示了兩個專用模塊如何大大擴展了運行范圍。由于LSC IGBT的最大溫度相比標準模塊減少了25%，MSC二極管的溫度下降了13%，從而實現(xiàn)了改進。
圖 5：LSC半導體在不同工作條件下的溫度：標準模塊（左）和LSC專用模塊（右）。紅色區(qū)域用以標識結(jié)溫超過設計極限的區(qū)域（單位：攝氏度）。
圖6：在不同工作條件下，基準模塊（左）與MSC專用模塊（右）的半導體溫度情況。紅色區(qū)域表示結(jié)溫超過了設計的限制[4]。
總之，我們強調(diào)，雖然本文重點介紹的新發(fā)布的功率模塊是為風能應用而設計的，但如果在設計中加入這些模塊，其他常規(guī)功率單向流動的大功率應用也會從中受益。例如，在驅(qū)動系統(tǒng)中，高開關(guān)頻率有助于減少電機的損耗。請注意，這兩個模塊都已優(yōu)化，以支持高速的開關(guān)。電機應用中的有源電網(wǎng)變流器或電解槽應用都可能會從FF1700R17IE5D中的大功率二極管中受益。
總而言之，英飛凌最新推出的PrimePACK?系列產(chǎn)品FF2000XTR17IE5和FF1700R17IE5D，支持風電變流器設計升級到更高的功率水平。這些新產(chǎn)品能夠縮短客戶的開發(fā)時間并降低成本，同時仍然提供卓越的IGBT5.XT技術(shù)穩(wěn)健性。
參考文獻
[1] 英飛凌科技 AGPrime- PACK?3+ B系列模塊的 FF1800R17IP5 參數(shù)數(shù)據(jù)表, 2020, v.3.5。
[2] T. Laska 等場截止技術(shù)的IGBT概念及優(yōu)化的二極管。
[3] A. Stegner 等“采用 .XT 技術(shù)的下一代 1700V IGBT 和發(fā)射極可控二極管，2014 年”，德國紐倫堡 PCIM。
[4] M. Morisse 等使用功率模塊對風能變流器進行系統(tǒng)評估與優(yōu)化，用于電網(wǎng)側(cè)和機器側(cè)變流器，2023年，PCIM紐倫堡，德國。
[5] D. Grahame Holmes 等《功率變流器中的脈寬調(diào)制應用》，2003年，美國新澤西，IEEE出版社。
[6] T. Methfessel 等人“Prime-PACK?.XT 功率模塊的壽命和功率循環(huán)建模的增強”，2020年，PCIM Europe 數(shù)字展覽會，德國。
關(guān)于作者
Marcel Morisse
馬塞爾擁有電氣工程的專業(yè)背景，并在風能轉(zhuǎn)換器可靠性領域獲得了博士學位。他于2018年加入英飛凌，擔任現(xiàn)場應用工程師。在風能和驅(qū)動系統(tǒng)的應用領域，他在設計導入過程中支持工業(yè)客戶，幫助他們選擇最合適的產(chǎn)品。此外，他在下一代功率變流器的開發(fā)中，針對功率半導體及配套的柵極驅(qū)動器集成電路提供了寶貴的反饋意見。
邁克爾·布斯哈特
邁克爾具有物理和經(jīng)濟學背景，并在量子測量理論方面獲得了博士學位。他曾在光刻系統(tǒng)行業(yè)擔任系統(tǒng)工程師達10年之久。他于2021年加入英飛凌擔任項目經(jīng)理，目前擔任高功率半導體模塊產(chǎn)品定義工程師。他負責定義下一代風力轉(zhuǎn)換器所使用的半導體模塊，并在客戶設計階段提供支持。
本文轉(zhuǎn)載自：英飛凌工業(yè)半導體
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