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2024-11-01來源：英飛凌工業半導體
本文由英飛凌科技的現場應用工程師 Marcel Morisse 與高級技術市場經理 Michael Busshardt 共同撰寫。
鑒於迫切的環境需求，我們必須確保清潔能源基礎設施的啟用，以減少碳排放對環境的負面影響。在這一至關重要的舉措中，風力發電技術扮演了關鍵角色，並已處於領先地位。在過去的 20 年中，風力渦輪機的尺寸已擴大三倍，其發電功率大幅提升，不久後將突破 15MW 的大關。因此，先進風能變流器的需求在不斷增長。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，以確保較長的使用壽命。為了在限制機櫃內元件數量的情況下最大化功率輸出，我們需要採用高功率密度設計。鑒於需求的持續增長，我們的大規模生產能力顯得尤為關鍵通過對現有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風險，還能縮短開發時間，最終達到優化設計和開發流程的目的。
英飛凌 PrimePACK™ 產品採用 IGBT5.XT 技術（FF1800R17IP5），堪稱應對各項挑戰的卓越解決方案。自 2016 年發佈以來，該模組已成為風力變流器中的標準選擇。先進的互連技術與優化的晶片設計，不僅確保了卓越的可靠性，同時也實現了高功率密度的特性。
儘管如此，鑒於全球面臨的挑戰，我們始終持續地進行改進。鑒於現代風力變流器系統的特定運行條件，英飛凌針對性地研發了兩款優化的 IGBT 功率模組。新模組在保持 FF1800R17IP5 PrimePACK™ IGBT 功率模組優點的同時，進一步實現了更高功率密度。
在本文中，我們詳細描述了優化過程的關鍵元件，並對開發過程中的重點進行了評述。此外，風能變流器性能的提升效果在成果中得到了鮮明的體現。最後，我們將簡要探討其他應用同樣可以從英飛凌 PrimePACK™ 產品系列新增內容中獲益的途徑。
在考慮風能變流器系統及其相關產業時，目前可以明顯觀察到變流器元件向模組化設計及標準化的趨勢發展。這種方法在滿足日益增長的功率需求的同時，也能有效縮短開發週期。它還支援同一功率組件的重複多次利用，適用于具備更高功率等級的風力渦輪機。由於風力渦輪機機艙內空間有限，因此增加機櫃數量可能不現實。因此，為提高各個元件的功率密度是必要的。
在風能轉換系統中，機側交流變流器（MSC）與網側交流變流器（LSC）的電氣需求存在明顯不同，這是需要重點考慮的另一個重要方面。對圖1所展示的全額定變流器系統而言，這一特點表現得尤為明顯。由於功率流從發電機至直流母線，直流母線中的二極體承受最大負載。另一方面，在 LSC 中，由於電能流向交流電網，IGBT 成為功率模組內承受應力最大的晶片。
圖 1：全功率型風力渦輪機系統的拓撲原理圖
鑒於需求存在差異，我們開發了兩個針對性優化的功率模組，分別針對發電機側和電網側逆變器進行優化，以便更好地滿足其特定需求，並基於 FF1800R17IP5 標準模組進行設計。以下部分將深入探討定義並優化這兩個功率模組的兩個關鍵步驟。
對於風能應用，採用高開關頻率能夠降低發電機損耗，並有助於保持變流器櫃內電網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逆變器相比，開關頻率明顯要高得多。
在考慮 IGBT 技術的特定情況下，應注意到開關損耗與導通損耗之間往往需要做出權衡（見圖 2）。在優化的 IGBT5 晶片中，為了支援更高的開關頻率，我們調整了折衷曲線，使其偏向於降低開關損耗的方向。鑒於 LSC 和 MSC 均需承受 IGBT 的高開關損耗，為此對這兩個模組進行了優化調整，以應對位於兩個不同位置的變流器需求。由於 VCE 飽和電壓的增加，我們通過採取額外的設計措施，實現了對其升高的部分補償 [2,3,4]。圖 2 呈現了 IGBT 的優化結果。
圖 2：用於 LSC 和 MSC 模組的 IGBT5 晶片的動態損耗折衷。
為了針對變換器進行專門優化，從而進一步提高模組的性能表現，我們調整了晶片的尺寸，以減少晶片的通態損耗，並針對承受最重負載的晶片，進一步提升了其熱導率。如圖 3 所示，LSC 專用模組的晶片尺寸比例傾向於採用更大的 IGBT，而 MSC 專用模組則集成了較大的二極體。為了優化 LSC 而進行的這兩項設計改進，引入了兩個模組：針對 LSC 進行優化的 FF2000XTR17IE5 模組，以及針對 MSC 進行優化的 FF1700XTR17IE5D 模組。
圖 3：與基準模組相比，LSC 和 MSC 專用模組的晶片尺寸比例不同。
圖 4 展示了在風力變流器系統的典型應用中，這兩個專門設計功率模組的優勢所在。表 1 列出了模擬依據的相應操作條件。需要注意的是，與圖 4 所示的標準模組相比，變流器功率的顯著增加僅通過更換功率模組來實現，變流器和控制的其他元件均保持不變。
圖4：採用 LSC/MSC 專用模組，對風能系統進行類比，其功率表現相較於標準模組有了顯著提升。
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。所有採用 IGBT5.XT 技術的 PrimePACK™ 模組，在設計上最大溫度限定為 175°C。然而，在此次模擬中，為了給超載和故障條件留出設計餘量，溫度被限制在 145°C。
在風能系統設計中，生命週期要求作為典型的設計參數，需要考慮功率半導體模組所承受的迴圈載入應力，以確保系統穩定性。鑒於風力發電機周圍風況的變化，以及與潛在低頻發電機頻率的結合，這一因素尤為重要。然而，對於採用 IGBT5™ XT 技術的 PrimePACK™® 產品，例如本文提到的模組，在負載頻繁變化的嚴酷應用中，這並不會構成問題。這裡，.XT 互連和 IGBT5 晶片技術在迴圈負載魯棒性方面，實現了卓越的性能 [6]。
關於 FF2000XTR17IE5 和 FF1700XTR17IE5D 的性能優勢，我們目前僅從單一穩定工作點進行了考量。實際上，如文獻 [4] 所述，考慮了由風速和電網需求共同決定的現場工作點，由此得出了針對不同發電機轉速下 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 顯示了兩個專用模組如何大大擴展了運行範圍。由於 LSC IGBT 的最大溫度相比標準模組減少了 25%，MSC 二極體的溫度下降了 13%，從而實現了改進。
圖 5：LSC 半導體在不同工作條件下的溫度：標準模組（左）和 LSC 專用模組（右）。紅色區域用以標識結溫超過設計極限的區域（單位：攝氏度）。
圖 6：在不同工作條件下，基準模組（左）與 MSC 專用模組（右）的半導體溫度情況。紅色區域表示結溫超過了設計的限制 [4]。
總之，我們強調，雖然本文重點介紹的新發佈的功率模組是為風能應用而設計的，但如果在設計中加入這些模組，其他常規功率單向流動的大功率應用也會從中受益。例如，在驅動系統中，高開關頻率有助於減少電機的損耗。請注意，這兩個模組都已優化，以支援高速的開關。電機應用中的有源電網變流器或電解槽應用都可能會從 FF1700R17IE5D 中的大功率二極體中受益。
總而言之，英飛凌最新推出的 PrimePACK™ 系列產品 FF2000XTR17IE5 和 FF1700R17IE5D，支持風電變流器設計升級到更高的功率水準。這些新產品能夠縮短客戶的開發時間並降低成本，同時仍然提供卓越的 IGBT5.XT 技術穩健性。
參考文獻
關於作者
Marcel Morisse
馬塞爾擁有電氣工程的專業背景，並在風能轉換器可靠性領域獲得了博士學位。他于 2018 年加入英飛凌，擔任現場應用工程師。在風能和驅動系統的應用領域，他在設計導入過程中支援工業客戶，説明他們選擇最合適的產品。此外，他在下一代功率變流器的開發中，針對功率半導體及配套的柵極驅動器積體電路提供了寶貴的回饋意見。
邁克爾·布斯哈特
邁克爾具有物理和經濟學背景，並在量子測量理論方面獲得了博士學位。他曾在光刻系統行業擔任系統工程師達 10 年之久。他于 2021 年加入英飛凌擔任專案經理，目前擔任高功率半導體模組產品定義工程師。他負責定義下一代風力轉換器所使用的半導體模組，並在客戶設計階段提供支援。
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