風力發電機專用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，對于某些應用來說，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。在傳統的電力電子電路中將半導體器件并聯是非常普遍的。
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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、直流環節電容、驅動器和保護電路、輔助電源和PWM控制器（一個獨立單元）組裝在一個三相逆變器中。這些單元可以并聯，例如用于一臺帶永磁發電機的4象限驅動風力發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力發電功率的方法。該方法使用變速中壓永磁發電機的線路接口連接，沒有任何電壓和功率限制，并且采用已經證明有效的半導體器件和組件。將基本電力電子單元串聯以獲得更高的電壓，并聯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，可以找到這個問題的答案。當然，在*優工作條件下模擬可用功率更簡單。
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為了做到這一點，選用了*大的標準外殼（IHM，190mm寬）。IGBT都被封裝在這個外殼中，并定義了*佳工作條件：直流運行電壓Vdc、,交流輸出電壓Vac、載波開關頻率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。產生這一結果的原因是IGBT模塊的損耗。如果計算圖2中三個變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4。
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對于這個對比，我們使用了相同的載波開關頻率fsw = 3.6kHz。這使得我們有機會采用相對較小的濾波器設計逆變器。使用不同的載波開關頻率，將導致所用的輸出正弦濾波器不同。基于上述種種原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可實現*大效率，它是一款單位模塊價格非常合理的標準工業產品。?
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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，將兩個這樣的模塊和一個尺寸與長度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個SKiiP在散熱器上背靠背放置，則可得到一個電流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半橋（外殼溫度= 25 ℃時 ），或者電流為 2.25kA的半橋（外殼溫度為70 ℃時）。
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兩個單管模塊將提供一個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的方案可在整個開關頻率范圍內提供更高的輸出電流。可用逆變器輸出功率與開關頻率的關系見圖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IGBT模塊
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以下方案對于IGBT模塊的并聯運行是可行的。
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⑴ 一臺三相逆變器用于整個功率的提供，相腳是由許多并聯的IGBT模塊和一個強大的驅動器組成。每個IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對稱直流環節和交流輸出連接。[1]
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⑵? 三相IGBT基本單元硬并聯。
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整個系統是通過一臺控制器及其PWM信號控制。所有三相逆變器都連接到一個公共的直流環節電壓。對于每個獨立基本單元驅動器，采用驅動器并聯板實現并聯。驅動器工作時間小的變化（小于100ns ）是通過小的交流輸出扼流圈進行補償的（電感< 5 μH）。所有的三相逆變器同時運行，但存在小的時延，小時延可通過額外的交流扼流圈進行補償。采用對稱布局和IGBT飽和壓降的正溫度系數來保證適當的負載電流均衡。[2]
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第2項所述的系統每個基本單元附帶PWM信號的附加校正。并聯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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將幾個帶同步PWM的單元并聯運行，且用附加PWM控制消除循環電流。[3]
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每個基本單元都使用電氣負載隔離。各個基本單元都有自己的控制器，通過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，且每個基本單元都有自己單獨的直流環節。在電網側，每個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，則不同直流環節間不存在循環電流。 這是將帶有標準獨立控制器的標準獨立基本單元并聯起來的*簡單的方法。一個基于發電機側電氣隔離的簡單設計如圖5所示 。三個并聯的帶分立電機繞組的獨立4象限驅動器。該驅動器可以和一個或兩個驅動器并聯運行。
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三個1500kVA 4Q驅動單元連接到永磁風力發電機單獨的繞組上。每個4象限驅動器都是標準的，擁有自己的發電機側和電網側控制器。第四個控制器的目的是提供統一的發電機扭矩共享。萬一運行過程中一個4象限驅動器出現了問題，其余驅動器的運行不會被中斷。所描述的系統已應用于3.6MW風力發電機，該風力發電機擁有一臺帶有三個獨立繞組的永磁發電機。該系統為*多達12個四象限驅動器并聯而研制，可用于連接12臺發電機或12個發電機繞組。[4]
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4 基本單元的串聯
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風力發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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⑴ 大功率風力發電機；
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⑵ 低損耗；
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⑶ 變速；
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⑷ 高效率；
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⑸ 采用經驗證有效的半導體元件；
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⑹ 使用簡單的線變壓器，得到純凈的正弦波電流；
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⑺ 線路功率因數良好且總諧波失真小；
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⑻ 有功和無功功率控制；
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⑼ 模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；?
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⑽ 可靠性高；
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⑾ *低的成本。
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可選的*佳方案：中壓發電機。 在未來的大功率風力發電機設計中，中壓發電機是必不可少的。然而，中壓硅片并不適用于此類應用。因此，正確的解決方案是將基本單元串聯起來。例如：一臺額定輸出電壓為6.3 kV的5MW風力發電機，輸出電流為3 x 436 Arms。整流過的變速發電機電壓為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？每個風力發電機需要有自己的變壓器用來與電網相連。電網的電壓應在20kV-30kV范圍，這應該是變壓器的輸出電壓。
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變壓器可由幾個三相繞組組成，這里用了10個，每個為3 x 690 V，作為輸入電壓。
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5 基于單元的中壓風力發電機
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新型中壓風力發電機的原理如圖6所示。
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每個三相繞組附帶一個基本單元和一個600kVA的三相逆變器。第四個IGBT管腳可被連接到每個基本單元的前面，這種排列可被稱為中壓單元。所有單元都可如圖6所示串聯起來。如果第四管腳的IGBT開關是關斷的，發電機的直流電流將對單元直流環節電壓進行充電。單元電網側三相逆變器放電，控制自己的直流環節電壓。對于3 x 690V交流電壓，直流環節電壓將為1.05kV。10個串聯的基本單元可以產生高達10 ×1.05 kV = 10.5kV的反電動勢（EMF）。電壓仍然與整流后的發電機電壓保持平衡。如果發電機轉速下降，發電機電壓也會變低。因此，為控制整流后的直流電流，也是為控制發電機的轉矩，不得不旁路掉部分單元。如果旁路掉5個單元，剩余的反電動勢是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的單元會增加直流電流和發電機轉矩。被旁路掉的單元可向電網提供全部的無功功率。如果某個單元失效，它也將被旁路掉。單元直流環節電壓*大值是1.2 kV ，因此即使僅有9個單元串聯也可承載高達9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后發電機電壓。
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6 帶中壓同步發電機的變速風力發電機
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帶中壓同步發電機的變速風力發電機特點如下。
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⑴ 發電機直流電壓范圍從0至Vdcmax;
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⑵ 每單元直流電壓1.05 kV（采用1.7 kV硅片）；
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⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV；
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⑷ 單元數量= Vdcmax/Vcell+1；
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⑸ 單元功率：Pgenmax/單元數量；
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⑹ 系統冗余 (+1)；
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⑺ 單元導通時間在0%-100%之間變化；
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⑻ 關斷的單元可以產生全部的無功功率；
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⑼ 不論功率高低，效率都高 ；
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⑽ 線路測紋波頻率 = Ncell × Fswcell；
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⑾ 簡單的網側變壓器。
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7 結論
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大功率應用使用多個IGBT模塊。然而，使用更多的帶獨立控制的開關要好的多。例如，用幾個并聯或串聯的單元而不是一個巨大的單個單元。
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優點如下：
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⑴ 線路的功率因數好、電流總諧波失真小、開關頻率更低、更少的無源器件；
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⑵ 模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；
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⑶ 采用經驗證有效的半導體元件；
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⑷ 更高的效率；
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⑸ 高可靠性；
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⑹ 極低的每kW成本。
