采用IGBT5.XT技術(shù)的PrimePACK?為風(fēng)能變流器提供卓越的解決方案

本文由英飛凌科技的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師Marcel Morisse與高級(jí)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(chǔ)設(shè)施的啟用，以減少碳排放對(duì)環(huán)境的負(fù)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(jī)的尺寸已擴(kuò)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(zhǎng)。這些變流器在惡劣境條件下工作，需要高度的可靠性和堅(jiān)固性，以確保較長(zhǎng)的使用壽命。為了在限制機(jī)柜內(nèi)元件數(shù)量的情況下最大化功率輸出，我們需要采用高功率密度設(shè)計(jì)。鑒于需求的持續(xù)增長(zhǎng)，我們的大規(guī)模生產(chǎn)能力顯得尤為關(guān)鍵通過(guò)對(duì)現(xiàn)有逆變器設(shè)計(jì)的升級(jí)，不僅能夠降低風(fēng)險(xiǎn)，還能縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)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），堪稱應(yīng)對(duì)各項(xiàng)挑戰(zhàn)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(biāo)準(zhǔn)選擇。先進(jìn)的互連技術(shù)與優(yōu)化的芯片設(shè)計(jì)，不僅確保了卓越的可靠性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了高功率密度的特性。

盡管如此，鑒于全球面臨的挑戰(zhàn)，我們始終持續(xù)地進(jìn)行改進(jìn)。鑒于現(xiàn)代風(fēng)力變流器系統(tǒng)的特定運(yùn)行條件，英飛凌針對(duì)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(xiàn)了更高功率密度。

在本文中，我們?cè)敿?xì)描述了優(yōu)化過(guò)程的關(guān)鍵組件，并對(duì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的重點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)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(xiàn)。最后，我們將簡(jiǎn)要探討其他應(yīng)用同樣可以從英飛凌PrimePACK產(chǎn)品系列新增內(nèi)容中獲益的途徑。

在考慮風(fēng)能變流器系統(tǒng)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)時(shí)，目前可以明顯觀察到變流器組件向模塊化設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢(shì)發(fā)展。這種方法在滿足日益增長(zhǎng)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(fù)多次利用，適用于具備更高功率等級(jí)的風(fēng)力渦輪機(jī)。由于風(fēng)力渦輪機(jī)機(jī)艙內(nèi)空間有限，因此增加機(jī)柜數(shù)量可能不現(xiàn)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(zhuǎn)換系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)交流變流器（MSC）與網(wǎng)側(cè)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(duì)圖1所展示的全額定變流器系統(tǒng)而言，這一特點(diǎn)表現(xiàn)得尤為明顯。由于功率流從發(fā)電機(jī)至直流母線，直流母線中的二極管承受最大負(fù)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(nèi)承受應(yīng)力最大的芯片。

圖1：全功率型風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)的拓?fù)湓韴D

鑒于需求存在差異，我們開(kāi)發(fā)了兩個(gè)針對(duì)性優(yōu)化的功率模塊，分別針對(duì)發(fā)電機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)逆變器進(jìn)行優(yōu)化，以便更好地滿足其特定需求，并基于FF1800R17IP5標(biāo)準(zhǔn)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)。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(duì)于風(fēng)能應(yīng)用，采用高開(kāi)關(guān)頻率能夠降低發(fā)電機(jī)損耗，并有助于保持變流器柜內(nèi)電網(wǎng)側(cè)濾波器的合理尺寸。通常情況下，與具有相似功率級(jí)別的通用電機(jī)驅(qū)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(yīng)注意到開(kāi)關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗之間往往需要做出權(quán)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(diào)整了折衷曲線，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(duì)這兩個(gè)模塊進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，以應(yīng)對(duì)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(shè)計(jì)措施，實(shí)現(xiàn)了對(duì)其升高的部分補(bǔ)償[2,3,4]。圖2呈現(xiàn)了IGBT的優(yōu)化結(jié)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(duì)變換器進(jìn)行專門優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高模塊的性能表現(xiàn)，我們調(diào)整了芯片的尺寸，以減少芯片的通態(tài)損耗，并針對(duì)承受最重負(fù)載的芯片，進(jìn)一步提升了其熱導(dǎo)率。如圖3所示，LSC專用模塊的芯片尺寸比例傾向于采用更大的IGBT，而MSC專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(xiàng)設(shè)計(jì)改進(jìn)，引入了兩個(gè)模塊：針對(duì)LSC進(jìn)行優(yōu)化的FF2000XTR17IE5模塊，以及針對(duì)MSC進(jìn)行優(yōu)化的FF1700XTR17IE5D模塊。

圖3：與基準(zhǔn)模塊相比，LSC和MSC專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(tǒng)的典型應(yīng)用中，這兩個(gè)專門設(shè)計(jì)功率模塊的優(yōu)勢(shì)所在。表1列出了仿真依據(jù)的相應(yīng)操作條件。需要注意的是，與圖4所示的標(biāo)準(zhǔn)模塊相比，變流器功率的顯著增加僅通過(guò)更換功率模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)，變流器和控制的其他元件均保持不變。

圖4：采用LSC/MSC專用模塊，對(duì)風(fēng)能系統(tǒng)進(jìn)行模擬，其功率表現(xiàn)相較于標(biāo)準(zhǔn)模塊有了顯著提升。

表1：基準(zhǔn)的LSC（左列）和MSC（右列）系統(tǒng)參數(shù)。DPWM命名法根據(jù)[5]

在此使用場(chǎng)景中，最大虛擬結(jié)溫（Tvj,max）是限制變流器功率的設(shè)計(jì)參數(shù)。所有采用IGBT5.XT技術(shù)的PrimePACK模塊，在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)余量，溫度被限制在145°C。

在風(fēng)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，生命周期要求作為典型的設(shè)計(jì)參數(shù)，需要考慮功率半導(dǎo)體模塊所承受的循環(huán)加載應(yīng)力，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。鑒于風(fēng)力發(fā)電機(jī)周圍風(fēng)況的變化，以及與潛在低頻發(fā)電機(jī)頻率的結(jié)合，這一因素尤為重要。然而，對(duì)于采用IGBT5 XT技術(shù)的PrimePACK產(chǎn)品，例如本文提到的模塊，在負(fù)載頻繁變化的嚴(yán)酷應(yīng)用中，這并不會(huì)構(gòu)成問(wèn)題。這里，.XT互連和IGBT5芯片技術(shù)在循環(huán)負(fù)載魯棒性方面，實(shí)現(xiàn)了卓越的性能[6]。

關(guān)于FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的性能優(yōu)勢(shì)，我們目前僅從單一穩(wěn)定工作點(diǎn)進(jìn)行了考量。實(shí)際上，如文獻(xiàn)[4]所述，考慮了由風(fēng)速和電網(wǎng)需求共同決定的現(xiàn)場(chǎng)工作點(diǎn)，由此得出了針對(duì)不同發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)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(dǎo)致不同的結(jié)溫 Tvj,max。圖5和圖6顯示了兩個(gè)專用模塊如何大大擴(kuò)展了運(yùn)行范圍。由于LSC IGBT的最大溫度相比標(biāo)準(zhǔn)模塊減少了25%，MSC二極管的溫度下降了13%，從而實(shí)現(xiàn)了改進(jìn)。

圖 5：LSC半導(dǎo)體在不同工作條件下的溫度：標(biāo)準(zhǔn)模塊（左）和LSC專用模塊（右）。紅色區(qū)域用以標(biāo)識(shí)結(jié)溫超過(guò)設(shè)計(jì)極限的區(qū)域（單位：攝氏度）。

圖6：在不同工作條件下，基準(zhǔn)模塊（左）與MSC專用模塊（右）的半導(dǎo)體溫度情況。紅色區(qū)域表示結(jié)溫超過(guò)了設(shè)計(jì)的限制[4]。

總之，我們強(qiáng)調(diào)，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(yīng)用而設(shè)計(jì)的，但如果在設(shè)計(jì)中加入這些模塊，其他常規(guī)功率單向流動(dòng)的大功率應(yīng)用也會(huì)從中受益。例如，在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，高開(kāi)關(guān)頻率有助于減少電機(jī)的損耗。請(qǐng)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(jī)應(yīng)用中的有源電網(wǎng)變流器或電解槽應(yīng)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(shè)計(jì)升級(jí)到更高的功率水平。這些新產(chǎn)品能夠縮短客戶的開(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(wěn)健性。

參考文獻(xiàn)

[1] 英飛凌科技 AGPrime- PACK3+ B系列模塊的 FF1800R17IP5 參數(shù)數(shù)據(jù)表, 2020, v.3.5。

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[4] M. Morisse 等使用功率模塊對(duì)風(fēng)能變流器進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估與優(yōu)化，用于電網(wǎng)側(cè)和機(jī)器側(cè)變流器，2023年，PCIM紐倫堡，德國(guó)。

[5] D. Grahame Holmes 等《功率變流器中的脈寬調(diào)制應(yīng)用》，2003年，美國(guó)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(qiáng)”，2020年，PCIM Europe 數(shù)字展覽會(huì)，德國(guó)。

關(guān)于作者

Marcel Morisse

馬塞爾擁有電氣工程的專業(yè)背景，并在風(fēng)能轉(zhuǎn)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(dān)任現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。在風(fēng)能和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，他在設(shè)計(jì)導(dǎo)入過(guò)程中支持工業(yè)客戶，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(duì)功率半導(dǎo)體及配套的柵極驅(qū)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(jì)學(xué)背景，并在量子測(cè)量理論方面獲得了博士學(xué)位。他曾在光刻系統(tǒng)行業(yè)擔(dān)任系統(tǒng)工程師達(dá)10年之久。他于2021年加入英飛凌擔(dān)任項(xiàng)目經(jīng)理，目前擔(dān)任高功率半導(dǎo)體模塊產(chǎn)品定義工程師。他負(fù)責(zé)定義下一代風(fēng)力轉(zhuǎn)換器所使用的半導(dǎo)體模塊，并在客戶設(shè)計(jì)階段提供支持。