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CCTV新闻联播《国产高压IGBT模块》研制成功!

风力发电机的可靠电力电子器件:SKiiP1513GB172,SKIIP1513GB172-3DFK0315

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*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。

 

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。

 

可用逆变器输出功率与开关频率的关系

 

  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。

 

 配备了1800 kVA基本单元的示例

 

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。

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