【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(fēng)力發(fā)電技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色，并已處于領(lǐng)先地位。在過(guò)去的20年中，風(fēng)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(jìn)風(fēng)能變流器的需求在不斷增長(cháng)。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(cháng)的使用壽命。為了在限制機柜內元件數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。鑒于需求的持續增長(cháng)，我們的大規模生產(chǎn)能力顯得尤為關(guān)鍵通過(guò)對現有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風(fēng)險，還能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終達到優(yōu)化設計和開(kāi)發(fā)流程的目的。
本文由英飛凌科技的現場(chǎng)應用工程師Marcel Morisse與高級技術(shù)市場(chǎng)經(jīng)理Michael Busshardt共同撰寫(xiě)。
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(fēng)力發(fā)電技術(shù)扮演了關(guān)鍵角色，并已處于領(lǐng)先地位。在過(guò)去的20年中，風(fēng)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(jìn)風(fēng)能變流器的需求在不斷增長(cháng)。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(cháng)的使用壽命。為了在限制機柜內元件數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。鑒于需求的持續增長(cháng)，我們的大規模生產(chǎn)能力顯得尤為關(guān)鍵通過(guò)對現有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風(fēng)險，還能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終達到優(yōu)化設計和開(kāi)發(fā)流程的目的。
英飛凌PrimePACK?產(chǎn)品采用IGBT5.XT技術(shù)（FF1800R17IP5），堪稱(chēng)應對各項挑戰的卓越解決方案。自2016年發(fā)布以來(lái)，該模塊已成為風(fēng)力變流器中的標準選擇。先進(jìn)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(shí)也實(shí)現了高功率密度的特性。
盡管如此，鑒于全球面臨的挑戰，我們始終持續地進(jìn)行改進(jìn)。鑒于現代風(fēng)力變流器系統的特定運行條件，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(diǎn)的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現了更高功率密度。
在本文中，我們詳細描述了優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵組件，并對開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)進(jìn)行了評述。此外，風(fēng)能變流器性能的提升效果在成果中得到了鮮明的體現。最后，我們將簡(jiǎn)要探討其他應用同樣可以從英飛凌PrimePACK?產(chǎn)品系列新增內容中獲益的途徑。
在考慮風(fēng)能變流器系統及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)時(shí)，目前可以明顯觀(guān)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(mǎn)足日益增長(cháng)的功率需求的同時(shí)，也能有效縮短開(kāi)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(fēng)力渦輪機。由于風(fēng)力渦輪機機艙內空間有限，因此增加機柜數量可能不現實(shí)。因此，為提高各個(gè)組件的功率密度是必要的。
在風(fēng)能轉換系統中，機側交流變流器（MSC）與網(wǎng)側交流變流器（LSC）的電氣需求存在明顯不同，這是需要重點(diǎn)考慮的另一個(gè)重要方面。對圖1所展示的全額定變流器系統而言，這一特點(diǎn)表現得尤為明顯。由于功率流從發(fā)電機至直流母線(xiàn)，直流母線(xiàn)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成為功率模塊內承受應力最大的芯片。
圖1：全功率型風(fēng)力渦輪機系統的拓撲原理圖
鑒于需求存在差異，我們開(kāi)發(fā)了兩個(gè)針對性?xún)?yōu)化的功率模塊，分別針對發(fā)電機側和電網(wǎng)側逆變器進(jìn)行優(yōu)化，以便更好地滿(mǎn)足其特定需求，并基于FF1800R17IP5標準模塊進(jìn)行設計。以下部分將深入探討定義并優(yōu)化這兩個(gè)功率模塊的兩個(gè)關(guān)鍵步驟。
對于風(fēng)能應用，采用高開(kāi)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電網(wǎng)側濾波器的合理尺寸。通常情況下，與具有相似功率級別的通用電機驅動(dòng)逆變器相比，開(kāi)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(kāi)關(guān)損耗與導通損耗之間往往需要做出權衡（見(jiàn)圖2）。在優(yōu)化的IGBT5芯片中，為了支持更高的開(kāi)關(guān)頻率，我們調整了折衷曲線(xiàn)，使其偏向于降低開(kāi)關(guān)損耗的方向。鑒于LSC和MSC均需承受IGBT的高開(kāi)關(guān)損耗，為此對這兩個(gè)模塊進(jìn)行了優(yōu)化調整，以應對位于兩個(gè)不同位置的變流器需求。由于VCE飽和電壓的增加，我們通過(guò)采取額外的設計措施，實(shí)現了對其升高的部分補償[2,3,4]。圖2呈現了IGBT的優(yōu)化結果。
圖2：用于LSC和MSC模塊的IGBT5芯片的動(dòng)態(tài)損耗折衷。
為了針對變換器進(jìn)行專(zhuān)門(mén)優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高模塊的性能表現，我們調整了芯片的尺寸，以減少芯片的通態(tài)損耗，并針對承受最重負載的芯片，進(jìn)一步提升了其熱導率。如圖3所示，LSC專(zhuān)用模塊的芯片尺寸比例傾向于采用更大的IGBT，而MSC專(zhuān)用模塊則集成了較大的二極管。為了優(yōu)化LSC而進(jìn)行的這兩項設計改進(jìn)，引入了兩個(gè)模塊：針對LSC進(jìn)行優(yōu)化的FF2000XTR17IE5模塊，以及針對MSC進(jìn)行優(yōu)化的FF1700XTR17IE5D模塊。
圖3：與基準模塊相比，LSC和MSC專(zhuān)用模塊的芯片尺寸比例不同。
圖4展示了在風(fēng)力變流器系統的典型應用中，這兩個(gè)專(zhuān)門(mén)設計功率模塊的優(yōu)勢所在。表1列出了仿真依據的相應操作條件。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(zhù)增加僅通過(guò)更換功率模塊來(lái)實(shí)現，變流器和控制的其他元件均保持不變。
圖4：采用LSC/MSC專(zhuān)用模塊，對風(fēng)能系統進(jìn)行模擬，其功率表現相較于標準模塊有了顯著(zhù)提升。
表1：基準的LSC（左列）和MSC（右列）系統參數。DPWM命名法根據[5]
在此使用場(chǎng)景中，最大虛擬結溫（Tvj,max）是限制變流器功率的設計參數。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(guò)載和故障條件留出設計余量，溫度被限制在145°C。
在風(fēng)能系統設計中，生命周期要求作為典型的設計參數，需要考慮功率半導體模塊所承受的循環(huán)加載應力，以確保系統穩定性。鑒于風(fēng)力發(fā)電機周?chē)L(fēng)況的變化，以及與潛在低頻發(fā)電機頻率的結合，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(huì )構成問(wèn)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(shí)現了卓越的性能[6]。
關(guān)于FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的性能優(yōu)勢，我們目前僅從單一穩定工作點(diǎn)進(jìn)行了考量。實(shí)際上，如文獻[4]所述，考慮了由風(fēng)速和電網(wǎng)需求共同決定的現場(chǎng)工作點(diǎn)，由此得出了針對不同發(fā)電機轉速下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溫 Tvj,max。圖5和圖6顯示了兩個(gè)專(zhuān)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(shí)現了改進(jìn)。
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(zhuān)用模塊（右）。紅色區域用以標識結溫超過(guò)設計極限的區域（單位：攝氏度）。
圖6：在不同工作條件下，基準模塊（左）與MSC專(zhuān)用模塊（右）的半導體溫度情況。紅色區域表示結溫超過(guò)了設計的限制[4]。
總之，我們強調，雖然本文重點(diǎn)介紹的新發(fā)布的功率模塊是為風(fēng)能應用而設計的，但如果在設計中加入這些模塊，其他常規功率單向流動(dòng)的大功率應用也會(huì )從中受益。例如，在驅動(dòng)系統中，高開(kāi)關(guān)頻率有助于減少電機的損耗。請注意，這兩個(gè)模塊都已優(yōu)化，以支持高速的開(kāi)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(huì )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(fēng)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(hù)的開(kāi)發(fā)時(shí)間并降低成本，同時(shí)仍然提供卓越的IGBT5.XT技術(shù)穩健性。
參考文獻
[1] 英飛凌科技 AGPrime- PACK?3+ B系列模塊的 FF1800R17IP5 參數數據表, 2020, v.3.5。
[2] T. Laska 等場(chǎng)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(fēng)能變流器進(jìn)行系統評估與優(yōu)化，用于電網(wǎng)側和機器側變流器，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 數字展覽會(huì )，德國。
關(guān)于作者
Marcel Morisse
馬塞爾擁有電氣工程的專(zhuān)業(yè)背景，并在風(fēng)能轉換器可靠性領(lǐng)域獲得了博士學(xué)位。他于2018年加入英飛凌，擔任現場(chǎng)應用工程師。在風(fēng)能和驅動(dòng)系統的應用領(lǐng)域，他在設計導入過(guò)程中支持工業(yè)客戶(hù)，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(kāi)發(fā)中，針對功率半導體及配套的柵極驅動(dòng)器集成電路提供了寶貴的反饋意見(jiàn)。
邁克爾·布斯哈特
邁克爾具有物理和經(jīng)濟學(xué)背景，并在量子測量理論方面獲得了博士學(xué)位。他曾在光刻系統行業(yè)擔任系統工程師達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(fēng)力轉換器所使用的半導體模塊，并在客戶(hù)設計階段提供支持。
本文轉載自：英飛凌工業(yè)半導體
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