风力发电机专用IGBT模块 SKIIP1513GB172-3DL SKIIP1213GB123-2DL V3
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*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*适合大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的*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*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*大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了*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*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*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*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*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**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*简单的方法。一个基于发电机侧电气隔离的简单设计如图5所示 。三个并联的带分立电机绕组的独立4象限驱动器。该驱动器可以和一个或两个驱动器并联运行。
三个1500kVA 4Q驱动单元连接到永磁风力发电机单独的绕组上。每个4象限驱动器都是标准的，拥有自己的发电机侧和电网侧控制器。第四个控制器的目的是提供统一的发电机扭矩共享。万一运行过程中一个4象限驱动器出现了问题，其余驱动器的运行不会被中断。所描述的系统已应用于3.6MW风力发电机，该风力发电机拥有一台带有三个独立绕组的永磁发电机。该系统为*多达12个四象限驱动器并联而研制，可用于连接12台发电机或12个发电机绕组。[4]
4 基本单元的串联
风力发电机设计工程师需要将以下诸方面考虑到他们的设计中。
⑴ 大功率风力发电机；
⑵ 低损耗；
⑶ 变速；
⑷ 高效率；
⑸ 采用经验证有效的半导体元件；
⑹ 使用简单的线变压器，得到纯净的正弦波电流；
⑺ 线路功率因数良好且总谐波失真小；
⑻ 有功和无功功率控制；
⑼ 模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速；
⑽ 可靠性高；
⑾ *低的成本。
可选的*佳方案：中压发电机。 在未来的大功率风力发电机设计中，中压发电机是必不可少的。然而，中压硅片并不适用于此类应用。因此，正确的解决方案是将基本单元串联起来。例如：一台额定输出电压为6.3 kV的5MW风力发电机，输出电流为3 x 436 Arms。整流过的变速发电机电压为1kV～10 kV的直流电压。
这样变化的电压如何才能连入电网？每个风力发电机需要有自己的变压器用来与电网相连。电网的电压应在20kV-30kV范围，这应该是变压器的输出电压。
变压器可由几个三相绕组组成，这里用了10个，每个为3 x 690 V，作为输入电压。
5 基于单元的中压风力发电机
新型中压风力发电机的原理如图6所示。
每个三相绕组附带一个基本单元和一个600kVA的三相逆变器。第四个IGBT管脚可被连接到每个基本单元的前面，这种排列可被称为中压单元。所有单元都可如图6所示串联起来。如果第四管脚的IGBT开关是关断的，发电机的直流电流将对单元直流环节电压进行充电。单元电网侧三相逆变器放电，控制自己的直流环节电压。对于3 x 690V交流电压，直流环节电压将为1.05kV。10个串联的基本单元可以产生高达10 ×1.05 kV = 10.5kV的反电动势（EMF）。电压仍然与整流后的发电机电压保持平衡。如果发电机转速下降，发电机电压也会变低。因此，为控制整流后的直流电流，也是为控制发电机的转矩，不得不旁路掉部分单元。如果旁路掉5个单元，剩余的反电动势是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的单元会增加直流电流和发电机转矩。被旁路掉的单元可向电网提供全部的无功功率。如果某个单元失效，它也将被旁路掉。单元直流环节电压*大值是1.2 kV ，因此即使仅有9个单元串联也可承载高达9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后发电机电压。
6 带中压同步发电机的变速风力发电机
带中压同步发电机的变速风力发电机特点如下。
⑴ 发电机直流电压范围从0至Vdcmax;
⑵ 每单元直流电压1.05 kV（采用1.7 kV硅片）；
⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV；
⑷ 单元数量= Vdcmax/Vcell+1；
⑸ 单元功率：Pgenmax/单元数量；
⑹ 系统冗余 (+1)；
⑺ 单元导通时间在0%-100%之间变化；
⑻ 关断的单元可以产生全部的无功功率；
⑼ 不论功率高低，效率都高 ；
⑽ 线路测纹波频率 = Ncell × Fswcell；
⑾ 简单的网侧变压器。
7 结论
大功率应用使用多个IGBT模块。然而，使用更多的带独立控制的开关要好的多。例如，用几个并联或串联的单元而不是一个巨大的单个单元。
优点如下：
⑴ 线路的功率因数好、电流总谐波失真小、开关频率更低、更少的无源器件；
⑵ 模块化设计，适合不同的功率和电压且安装快速；
⑶ 采用经验证有效的半导体元件；
⑷ 更高的效率；
⑸ 高可靠性；
⑹ 极低的每kW成本。
