原创 适用于风力发电机的可靠电力电子器件

　1 引言

　　在兆瓦级，大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而，对于某些应用来说，即使是目前可以得到的最大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。

　　现在讨论一种可能的方案：电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器（一个独立单元）组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联，例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。

　　本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接，没有任何电压和功率限制，并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压，并联以获得更高的功率等级。

　　2 不同阻断电压下IGBT效率的对比

　　IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。如今有各种电压等级的IGBT，广泛用于工业应用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级最适合大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的最大外壳中以制造逆变器时，可以找到这个问题的答案。当然，在最优工作条件下模拟可用功率更简单。

　　为了做到这一点，选用了最大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了最佳工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6 kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。

　　结果显示，采用3.3 kV、1200 A独立模块得到的最大功率约为采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模块所提供的功率仅为1.7 kV IGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率，可以看到损耗比为1:2:4。

　　对于这个对比，我们使用了相同的载波开关频率fsw = 3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波器设计逆变器。使用不同的载波开关频率，将导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可实现最大效率，它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。 

　　不同阻断电压下IGBT效率的对比.

　　运行条件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9，相同模块和冷却条件下三相逆变器的运行

　　1.7 kV IGBT封装在不同的模块外壳中。为了对比，我们可以采用最大的单管模块IHM 2.4kA、   1.7kV，将两个这样的模块和一个尺寸与长度相近的双管模块SKiiP1513GB172做比较。如果两个SKiiP在散热器上背靠背放置，则可得到一个电流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半桥（外壳温度= 25 ℃时 ），或者电流为 2.25kA的半桥（外壳温度为70 ℃时）。

　　两个单管模块将提供一个2.4kA的半桥。比较计算的结果可以看到，与放置在最大外壳中的标准模块相比，采用SKiiP的方案可在整个开关频率范围内提供更高的输出电流。可用逆变器输出功率与开关频率的关系见图3。

　　如果采用了更强大的SKiiP模块，如使用氮化铝作为陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV，可从三相逆变器获得更高的功率，即1800 kVA。

图4   配备了1800 kVA基本单元的示例

　　3 并联IGBT模块

　　以下方案对于IGBT模块的并联运行是可行的。

　　⑴　一台三相逆变器用于整个功率的提供，相脚是由许多并联的IGBT模块和一个强大的驱动器组成。每个IGBT模块必须有自己的栅极电阻与对称直流环节和交流输出连接。[1]

　　⑵  三相IGBT基本单元硬并联。

　　整个系统是通过一台控制器及其PWM信号控制。所有三相逆变器都连接到一个公共的直流环节电压。对于每个独立基本单元驱动器，采用驱动器并联板实现并联。驱动器工作时间小的变化（小于100ns ）是通过小的交流输出扼流圈进行补偿的（电感< 5 μH）。所有的三相逆变器同时运行，但存在小的时延，小时延可通过额外的交流扼流圈进行补偿。采用对称布局和IGBT饱和压降的正温度系数来保证适当的负载电流均衡。[2]

　　第2项所述的系统每个基本单元附带PWM信号的附加校正。并联基本单元的精确负载电流均衡是由附加PWM校正控制的。

　　将几个带同步PWM的单元并联运行，且用附加PWM控制消除循环电流。[3]

　　每个基本单元都使用电气负载隔离。各个基本单元都有自己的控制器，通过绝缘绕组给负载提供电力。PWM是独立的、非同步的、自由运行的信号，且每个基本单元都有自己单独的直流环节。在电网侧，每个基本单元有自己的正弦LC滤波器。假如输出也是电气隔离的，则不同直流环节间不存在循环电流。 这是将带有标准独立控制器的标准独立基本单元并联起来的最简单的方法。