探究大功率IGBT模塊ST20在風電中的應用

隨著碳中和成為世界各國新的共同目標，新能源快速發(fā)展成為必然，而風電在我國能源消費比重也在不斷增加。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯(lián)、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率風電變流器設計提供了新選擇。本文將介紹大功率IGBT模塊ST20在風電應用中的優(yōu)勢。

1.背景

1.1 風電大功率趨勢

風電大兆瓦時代已經(jīng)來臨，尤其是海上風電。眾所周知，海上風電機組不論是施工難度還是投資額度均遠高于陸上，若規(guī)劃相同規(guī)模風場，機組單機容量的增加可以減少機組數(shù)量，從而有效降低單位投資，減少成本。在降本提效的要求下，風機單機功率增大已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，單機功率增加可以有效降低風場的度電運營成本。目前西門子歌美颯單機功率達到14MW，國內(nèi)8-10MW樣機也投入運行。

1.2 國內(nèi)風電變流器發(fā)展趨勢

大功率意味著大電流，為了減少系統(tǒng)成本，國內(nèi)1140V 風機系統(tǒng)越來越成為主流。將風機電壓從傳統(tǒng)的690V提升至1140V，同等功率的風機電流降低35%，大幅提升電氣傳動系統(tǒng)和輸變電系統(tǒng)的效率，降低度電成本，使得產(chǎn)品具備更強的市場競爭力。

對于1140V變流器，如果采用兩電平拓撲，需要3.3kV電壓等級IGBT模塊，但是3.3kV器件的開關和導通損耗無法滿足系統(tǒng)的效率及開關頻率的要求，同時價格也更貴。因此，采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊組成三電平NPC或者ANPC拓撲是目前國內(nèi)主流方案，目前全功率單機做到5.XMW，但是隨著變流器功率增大，采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊方案存在內(nèi)管電壓尖峰、模塊并聯(lián)均流、輸出電流偏小需要系統(tǒng)級并聯(lián)等問題。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯(lián)、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率風電變流器應用提供了新的設計思路。

ST20在大功率風電中應用的優(yōu)勢

2.1 雜散電感小，便于疊層母排設計

采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊搭建三電平NPC拓撲如圖2，因為模塊本身結(jié)構的限制，連接模塊的正負端子時無法使用疊層母排設計。當輸出電壓和輸出電流有不同的相位的時候，存在長換流回路，需要經(jīng)過三個模塊，雜散電感通常在200nH左右，此時內(nèi)管模塊在關斷時會產(chǎn)生比較高的尖峰電壓。通常需要選擇比較大的關斷電阻值，驅(qū)動兩級關斷，有源鉗位或者吸收電路來解決這一問題，避免模塊過壓損壞，但這些措施會增加功率損耗及成本。

采用ST20模塊，輸入輸出端子連接簡單，易于疊層母排設計，可以減小換流回路的雜散電感。同時，模塊內(nèi)部采用疊層設計，雜散電感較低（10nH），約為SEMiX3p模塊一半。長換流回路工況下，可以減小模塊關斷尖峰電壓，甚至無需增大關斷電阻，增加吸收電路等措施，降低電路設計難度。

2.2 均流特性好，易于并聯(lián)

由于單個模塊電流的限制，大功率的風電變流器無論兩電平還是三電平需要多個模塊的并聯(lián)使用。并聯(lián)模塊是否均流，影響變流器的輸出容量。為了更好的均流效果，除了考慮驅(qū)動及控制，IGBT模塊外部結(jié)構如連接銅排等因素也需要考慮對稱均流設計，而模塊內(nèi)部布局同樣會影響單個IGBT芯片的電流分布，最終影響系統(tǒng)輸出能力。如圖4為SEMiX3p內(nèi)部布局，可以看到上下管IGBT及Diode到功率端子并非等距對稱設計。而圖5中ST20內(nèi)部對稱的布局設計，有更好的內(nèi)部電流平衡特性。

四個ST20并聯(lián)搭建兩電平測試平臺，盡管人為把短路線連接位置靠右，四個模塊電流均流特性依然很好，不平衡度在5%以內(nèi)。正常工作時，其均流特性表現(xiàn)會更好。

2.3 高功率密度，滿足大功率和可靠性要求

賽米控ST20適合高功率大電流密度的要求，是目前功率密度最大的封裝，與1700V/600A的SEMiX3p相比，1700V/1200A的ST20電流密度從約6.4A/cm2提高到 8.6A/cm2。

MW級的變流器需要IGBT模塊并聯(lián)，并聯(lián)的數(shù)量取決于IGBT的電流等級。為了獲得相同的輸出功率，使用SEMiX3p需要更多數(shù)量模塊并聯(lián)，更大面積的散熱器，同時還有模塊均流問題，增加結(jié)構和驅(qū)動設計的難度及成本。同時我們知道海上風電環(huán)境更惡劣，一旦出現(xiàn)故障，維護成本和經(jīng)濟損失更大，因此對可靠性的要求也更高。而IGBT作為變流器的核心，減少IGBT、配套驅(qū)動、連接線纜、功率組件等數(shù)量可以提高變流器的可靠性。

我們簡單對比1140V 3L拓撲，目前市場上SEMiX3p在三電平應用中最大并聯(lián)數(shù)為4個，基于此不同數(shù)量ST20和SEMiX3p并聯(lián)可能達到的輸出功率估算如圖8。因為實際應用條件可能不同，比如開關頻率，電壓電流及散熱系統(tǒng)等，因此圖8僅供參考。

以1140V全功率4.8MW風電為例，機側(cè)額定輸出電流2900A有效值，通常需要8個600A的SEMiX3p并聯(lián)，如前文提到，市場上目前三電平IGBT模塊最大并聯(lián)數(shù)為4個，因此當使用SEMiX3p時需要2組2.xMW系統(tǒng)經(jīng)過均流電抗器再并聯(lián)使用；而當使用ST20時無需系統(tǒng)并聯(lián)，單系統(tǒng)使用4個模塊并聯(lián)即可，只需要一半的驅(qū)動及連接電纜，同時降低了系統(tǒng)并聯(lián)復雜性及成本。

根據(jù)工況，用賽米控在線仿真平臺SemiSel初步評估SKM1200GB17E4S2I4的結(jié)溫。散熱器熱阻0.002k/W，其他參數(shù)見表1。

通過仿真結(jié)果可以看出，電機側(cè)最高結(jié)溫113.02℃，網(wǎng)側(cè)最高結(jié)溫117.18℃，離模塊允許工作結(jié)溫還有超過30℃裕量，可進一步優(yōu)化開關特性或者平衡散熱和成本。如果變流器功率達到10MW，使用賽米控ST20模塊節(jié)省的驅(qū)動、電纜、功率組件等會更多，整機可靠性也會更高。

3.參考設計

基于ST20的兩電平風電變流器Stack，雙面水冷設計，單面四個SKM1200GB17E4S2I4并聯(lián)。使用靈活，三個Stack組成的變流器輸出功率達到3MW；單個Stack雙面也可以并聯(lián)使用，增大功率。基于ANPC拓撲的三電平組件正在設計中。

4.總結(jié)

綜上所述，風電大兆瓦時代來臨，尤其是海上風電，風機單機功率增大已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。采用SEMiX3p半橋模塊組成1140V三電平NPC或者ANPC是目前國內(nèi)主流方案，但是隨著變流器功率增大，這種方案存在內(nèi)管電壓尖峰、模塊并聯(lián)均流及輸出電流偏小需要系統(tǒng)級并聯(lián)等問題。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯(lián)、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率變流器的設計提供了新選擇。使用ST20可降低系統(tǒng)設計的復雜性及成本，提高變流器的可靠性。因此，ST20模塊非常適合大功率風電變流器應用。

編輯：jq