采用IGBT5.XT技术的PrimePACK™为风能变流器提供卓越的解决方案

鉴于迫切的环境需求，我们必须确保清洁能源基础设施的启用，以减少碳排放对环境的负面影响。在这一至关重要的举措中，风力发电技术扮演了关键角色，并已处于领先地位。在过去的20年中，风力涡轮机的尺寸已扩大三倍，其发电功率大幅提升，不久后将突破15MW的大关。因此，先进风能变流器的需求在不断增长。这些变流器在恶劣境条件下工作，需要高度的可靠性和坚固性，以确保较长的使用寿命。为了在限制机柜内元件数量的情况下最大化功率输出，我们需要采用高功率密度设计。鉴于需求的持续增长，我们的大规模生产能力显得尤为关键通过对现有逆变器设计的升级，不仅能够降低风险，还能缩短开发时间，最终达到优化设计和开发流程的目的。

本文由英飞凌科技的现场应用工程师Marcel Morisse与高级技术市场经理Michael Busshardt共同撰写。

鉴于迫切的环境需求，我们必须确保清洁能源基础设施的启用，以减少碳排放对环境的负面影响。在这一至关重要的举措中，风力发电技术扮演了关键角色，并已处于领先地位。在过去的20年中，风力涡轮机的尺寸已扩大三倍，其发电功率大幅提升，不久后将突破15MW的大关。因此，先进风能变流器的需求在不断增长。这些变流器在恶劣境条件下工作，需要高度的可靠性和坚固性，以确保较长的使用寿命。为了在限制机柜内元件数量的情况下最大化功率输出，我们需要采用高功率密度设计。鉴于需求的持续增长，我们的大规模生产能力显得尤为关键通过对现有逆变器设计的升级，不仅能够降低风险，还能缩短开发时间，最终达到优化设计和开发流程的目的。

英飞凌PrimePACK™产品采用IGBT5.XT技术（FF1800R17IP5），堪称应对各项挑战的卓越解决方案。自2016年发布以来，该模块已成为风力变流器中的标准选择。先进的互连技术与优化的芯片设计，不仅确保了卓越的可靠性，同时也实现了高功率密度的特性。

尽管如此，鉴于全球面临的挑战，我们始终持续地进行改进。鉴于现代风力变流器系统的特定运行条件，英飞凌针对性地研发了两款优化的IGBT功率模块。新模块在保持FF1800R17IP5 PrimePACK™ IGBT功率模块优点的同时，进一步实现了更高功率密度。

在本文中，我们详细描述了优化过程的关键组件，并对开发过程中的重点进行了评述。此外，风能变流器性能的提升效果在成果中得到了鲜明的体现。最后，我们将简要探讨其他应用同样可以从英飞凌PrimePACK™产品系列新增内容中获益的途径。

在考虑风能变流器系统及其相关产业时，目前可以明显观察到变流器组件向模块化设计及标准化的趋势发展。这种方法在满足日益增长的功率需求的同时，也能有效缩短开发周期。它还支持同一功率组件的重复多次利用，适用于具备更高功率等级的风力涡轮机。由于风力涡轮机机舱内空间有限，因此增加机柜数量可能不现实。因此，为提高各个组件的功率密度是必要的。

在风能转换系统中，机侧交流变流器（MSC）与网侧交流变流器（LSC）的电气需求存在明显不同，这是需要重点考虑的另一个重要方面。对图1所展示的全额定变流器系统而言，这一特点表现得尤为明显。由于功率流从发电机至直流母线，直流母线中的二极管承受最大负载。另一方面，在LSC中，由于电能流向交流电网，IGBT成为功率模块内承受应力最大的芯片。

图1：全功率型风力涡轮机系统的拓扑原理图

鉴于需求存在差异，我们开发了两个针对性优化的功率模块，分别针对发电机侧和电网侧逆变器进行优化，以便更好地满足其特定需求，并基于FF1800R17IP5标准模块进行设计。以下部分将深入探讨定义并优化这两个功率模块的两个关键步骤。

对于风能应用，采用高开关频率能够降低发电机损耗，并有助于保持变流器柜内电网侧滤波器的合理尺寸。通常情况下，与具有相似功率级别的通用电机驱动逆变器相比，开关频率明显要高得多。

在考虑IGBT技术的特定情况下，应注意到开关损耗与导通损耗之间往往需要做出权衡（见图2）。在优化的IGBT5芯片中，为了支持更高的开关频率，我们调整了折衷曲线，使其偏向于降低开关损耗的方向。鉴于LSC和MSC均需承受IGBT的高开关损耗，为此对这两个模块进行了优化调整，以应对位于两个不同位置的变流器需求。由于VCE饱和电压的增加，我们通过采取额外的设计措施，实现了对其升高的部分补偿[2,3,4]。图2呈现了IGBT的优化结果。

图2：用于LSC和MSC模块的IGBT5芯片的动态损耗折衷。

为了针对变换器进行专门优化，从而进一步提高模块的性能表现，我们调整了芯片的尺寸，以减少芯片的通态损耗，并针对承受最重负载的芯片，进一步提升了其热导率。如图3所示，LSC专用模块的芯片尺寸比例倾向于采用更大的IGBT，而MSC专用模块则集成了较大的二极管。为了优化LSC而进行的这两项设计改进，引入了两个模块：针对LSC进行优化的FF2000XTR17IE5模块，以及针对MSC进行优化的FF1700XTR17IE5D模块。

图3：与基准模块相比，LSC和MSC专用模块的芯片尺寸比例不同。

图4展示了在风力变流器系统的典型应用中，这两个专门设计功率模块的优势所在。表1列出了仿真依据的相应操作条件。需要注意的是，与图4所示的标准模块相比，变流器功率的显著增加仅通过更换功率模块来实现，变流器和控制的其他元件均保持不变。

图4：采用LSC/MSC专用模块，对风能系统进行模拟，其功率表现相较于标准模块有了显著提升。

表1：基准的LSC（左列）和MSC（右列）系统参数。DPWM命名法根据[5]

在此使用场景中，最大虚拟结温（Tvj,max）是限制变流器功率的设计参数。所有采用IGBT5.XT技术的PrimePACK™模块，在设计上最大温度限定为175°C。然而，在此次仿真中，为了给过载和故障条件留出设计余量，温度被限制在145°C。

在风能系统设计中，生命周期要求作为典型的设计参数，需要考虑功率半导体模块所承受的循环加载应力，以确保系统稳定性。鉴于风力发电机周围风况的变化，以及与潜在低频发电机频率的结合，这一因素尤为重要。然而，对于采用IGBT5™ XT技术的PrimePACK™®产品，例如本文提到的模块，在负载频繁变化的严酷应用中，这并不会构成问题。这里，.XT互连和IGBT5芯片技术在循环负载鲁棒性方面，实现了卓越的性能[6]。

关于FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的性能优势，我们目前仅从单一稳定工作点进行了考量。实际上，如文献[4]所述，考虑了由风速和电网需求共同决定的现场工作点，由此得出了针对不同发电机转速下LSC和MSC的一系列变流器电流组合。这些不同的工作条件导致不同的结温 Tvj,max。图5和图6显示了两个专用模块如何大大扩展了运行范围。由于LSC IGBT的最大温度相比标准模块减少了25%，MSC二极管的温度下降了13%，从而实现了改进。

图 5：LSC半导体在不同工作条件下的温度：标准模块（左）和LSC专用模块（右）。红色区域用以标识结温超过设计极限的区域（单位：摄氏度）。

图6：在不同工作条件下，基准模块（左）与MSC专用模块（右）的半导体温度情况。红色区域表示结温超过了设计的限制[4]。

总之，我们强调，虽然本文重点介绍的新发布的功率模块是为风能应用而设计的，但如果在设计中加入这些模块，其他常规功率单向流动的大功率应用也会从中受益。例如，在驱动系统中，高开关频率有助于减少电机的损耗。请注意，这两个模块都已优化，以支持高速的开关。电机应用中的有源电网变流器或电解槽应用都可能会从FF1700R17IE5D中的大功率二极管中受益。