大容量風電變流器中IGBT模塊多并聯(lián)策略

陳志強，于 彬，劉 洋，楊定堃

（1.南瑞集團有限公司（國網(wǎng)電力科學研究院有限公司），南京 211106；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

近十幾年，國內(nèi)風電機組單機容量等級不斷攀升，單機容量從kW 級往著MW 級方向不停更新?lián)Q代，目前陸上的主流風機容量為2～5 MW，海上主流風機容量更是達到了5～10 MW，并往更高的功率等級發(fā)展[1-3]。變流器作為風電發(fā)電機組中并網(wǎng)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵器件，其在整個發(fā)電機組中的重要性不言而喻，隨著機組單機容量的升級，變流器也跟隨著往大功率方向發(fā)展。

IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）具有開關(guān)頻率高、通態(tài)壓降小、驅(qū)動電路簡單且功率小等優(yōu)點，相比于GTO（可關(guān)斷晶閘管）、IGCT（集成門極換流晶閘管）等其他全控型功率器件在變流器等電力電子產(chǎn)品應用中更具優(yōu)勢。但在大容量的風電變流器設(shè)計中，使用單個IGBT 模塊的方案很難滿足技術(shù)要求?，F(xiàn)有提高變流器系統(tǒng)容量的方式一般分為兩種：直接選用大容量電力電子功率模塊，或者使用小功率IGBT 模塊并聯(lián)實現(xiàn)。目前大功率的電力電子功率半導體器件如晶閘管等很難滿足變流器中控制要求。所以，從經(jīng)濟及應用靈活性等角度出發(fā)，在大功率變流器應用場景中大多采用IGBT 模塊并聯(lián)的技術(shù)方案[4-6]。通過模塊的并聯(lián)可以簡單、有效的提升模塊組件的通流能力，滿足大功率風電變流器的設(shè)計需求。但并聯(lián)方案中并聯(lián)數(shù)量的選擇對風電變流器系統(tǒng)穩(wěn)定及性能有較大影響。

在IGBT 模塊的并聯(lián)應用研究中，現(xiàn)有研究對象更多的是模塊之間的不均流，對IGBT 模塊并聯(lián)數(shù)量的不同給變流器系統(tǒng)所帶來的影響的沒有充分研究。IGBT 模塊本身的輸出特性及溫度特性決定了不同并聯(lián)數(shù)量的IGBT 模塊給變流器系統(tǒng)帶來的影響差別較大[7]。本文從IGBT 模塊并聯(lián)數(shù)量對風電變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性及性能兩個方面，首先分析IGBT 模塊并聯(lián)應用中的不均流問題及IGBT 模塊并聯(lián)應用中損耗問題，通過實驗及仿真的方法分別對不同并聯(lián)數(shù)量的IGBT 模塊所帶來的不均流及損耗問題進行定性分析。最后對比不同IGBT 模塊并聯(lián)數(shù)量的數(shù)據(jù)結(jié)果，從變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能角度給出在IGBT 模塊并聯(lián)應用中數(shù)量選擇的建議，為IGBT 模塊并聯(lián)應用提供規(guī)則參考。

1 IGBT 模塊并聯(lián)應用特性分析

1.1 靜態(tài)不均流特性

“靜態(tài)”是指IGBT 模塊在工作時已經(jīng)完全開通，影響其均流特性的主要是IGBT 自身輸出特性。

IGBT 功率模塊典型的輸出特性曲線如圖1所示（本文IGBT 模塊以FF450R17ME4 為例），該曲線門極驅(qū)動電壓VGE為15 V，不同結(jié)溫下集射極飽和壓降VCE（sat）與導通電流IC關(guān)系的特性曲線。并聯(lián)穩(wěn)態(tài)條件下，主要是兩個模塊的輸出特性不同影響到電流分配不均[8]。不同結(jié)溫下，IGBT 的飽和壓降VCE（sat）和導通電流IC的關(guān)系可近似擬合成線性，以結(jié)溫Tvj為25 ℃為例，可以擬合成：

圖1 IGBT 模塊的輸出特性

式（1）中通態(tài)電阻r、閾值電壓V0是和結(jié)溫Tvj有關(guān)的參數(shù)。

圖2中，電壓1V01、電壓2V02分別是兩塊IGBT模塊在導通電流為零時對應的集射極電壓VCE。壓差1ΔV1、壓差2ΔV2分別是導通電流為IC1和IC2時對應的兩模塊通態(tài)飽和壓降變化量。模塊1，2 的輸出特性可近似描述為：

圖2 不同IGBT 功率模塊輸出特性比較

由于模塊1，2 并聯(lián)，其集射極兩端電壓相等，所以有：

聯(lián)立以上等式，得到支路電流與IGBT 飽和壓降的關(guān)系式：

推導可知，IGBT 并聯(lián)應用時，靜態(tài)下，飽和壓降較低的模塊將分得更多的電流。此外驅(qū)動電壓還會通過影響飽和壓降間接影響并聯(lián)模塊的均流。

1.2 動態(tài)不均流特性

“動態(tài)”是指IGBT 模塊處于開通或者關(guān)斷的時刻，影響其均流的因素是模塊自身轉(zhuǎn)移特性。

如圖3 所示，兩個轉(zhuǎn)移特性不一致的模塊并聯(lián)，當給其施加相同的門極電壓VGE時，其中轉(zhuǎn)移特性陡峭的IGBT 模塊將承受更多的電流。除此之外，模塊的閾值電壓、輸入電容對并聯(lián)應用的均流也有一定影響。

圖3 并聯(lián)模塊的轉(zhuǎn)移特性比較

2 模塊并聯(lián)數(shù)量對均流的影響

IGBT 并聯(lián)使用的方案中，多模塊并聯(lián)必然會帶來各個模塊不均流的現(xiàn)象，模塊并聯(lián)數(shù)量的選擇對均流現(xiàn)象有一定影響，模塊的不均流現(xiàn)象會影響變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

IGBT 并聯(lián)使用中，不均流現(xiàn)象分靜態(tài)和動態(tài)兩大類。主要受自身參數(shù)、驅(qū)動參數(shù)及系統(tǒng)布局影響[9-10]?？紤]到這幾點影響搭建測試平臺，分別對IGBT 模塊四并聯(lián)及IGBT 模塊兩并聯(lián)系統(tǒng)進行雙脈沖測試。為了保證外部參數(shù)對測試結(jié)果的影響，選用同一測試平臺環(huán)境。

電路拓撲結(jié)構(gòu)采用雙向DC/DC Buck-Bost 電路，如圖4 所示，為模塊四并聯(lián)測試拓撲圖。

圖4 實驗電路拓撲示意

雙脈沖測試需要轉(zhuǎn)換的能量非常低，負載電感不必消耗任何熱量[11]。本實驗選用空芯電抗器，電感值為：

式中：VDC為直流母線電壓；IC為模塊導通電流；t1，t3為兩個開通脈沖時間。模塊的開通關(guān)斷時間長短及發(fā)射極電流大小對并聯(lián)均流性有一定影響，所以測試中，通過更改電抗器的電感值大小來保證實驗的一致性。根據(jù)式（6）可以計算出不同測試條件下的電感選用值。

實驗平臺如圖5 所示，由于IGBT 模塊的開關(guān)速度較快，會產(chǎn)生較高的di/dt，風電變流器開關(guān)頻率一般為1 000～3 000 Hz，因此，對主回路的雜散電感有一定要求，本平臺采用雜散電感低的疊層母排連接。為了模擬真實工況，會在模塊底部進行加熱使模塊底部溫度保持在125 ℃，使芯片溫度接近工作時的真實值。同時為了使工作溫度具有較高的一致性，實驗中將IGBT 模塊安裝在同一個大的散熱鋁基板上。主體回路在設(shè)計中，優(yōu)先保證IGBT 模塊電路、結(jié)構(gòu)的對稱性。本次實驗四并聯(lián)及兩并聯(lián)模塊采用相同的測試平臺。同樣為了保證模塊有較好的一致性，實驗中使用的模塊為同一批次的產(chǎn)品。驅(qū)動方式采用直接柵極驅(qū)動連接，保證驅(qū)動信號的一致性。

圖5 實驗平臺主體3D 結(jié)構(gòu)及實物

（1）IGBT 模塊四并聯(lián)測試

（2）IGBT 模塊兩并聯(lián)測試

圖6 為IGBT 模塊四并聯(lián)雙脈沖測試波形，動態(tài)特性最大不均流度小于10%；靜態(tài)不均流度小于10%，圖7 為IGBT 模塊兩并聯(lián)雙脈沖測試波形，動態(tài)特性最大不均流度小于5%，靜態(tài)不均流度小于5%。

圖6 四并聯(lián)測試波形

圖7 兩并聯(lián)模塊測試波形

測試結(jié)果表明，在相同的測試環(huán)境中，IGBT模塊的兩并聯(lián)結(jié)構(gòu)其動態(tài)及靜態(tài)均流特性要優(yōu)于IGBT 模塊的四并聯(lián)。

3 模塊并聯(lián)數(shù)量對損耗的影響

IGBT 模塊的損耗主要由開關(guān)損耗、開通損耗及控制損耗，如圖8 所示。其中控制損耗較小，一般可以忽略不計[12-14]。

圖8 模塊損耗構(gòu)成

在結(jié)構(gòu)上，IGBT 模塊包含IGBT 芯片及Diode芯片，所以模塊損耗由兩例芯片構(gòu)成，可表示為：

式中：P 為IGBT 模塊損耗；PIGBT為IGBT 芯片損耗；PDiode為Diode 芯片損耗。其中：

式中：PIGBT-sw為IGBT 開關(guān)損耗；PIGBT-cond為IGBT導通損耗。

式中：fSW為IGBT 開關(guān)頻率；Eon，Eoff分別為IGBT單脈沖下開通、關(guān)斷損耗；Is為流過IGBT 的電流；VDC為直流側(cè)電壓；Iref為參考電流；Vref為參考電壓；Ksw為溫度修正系數(shù)；Tj為芯片結(jié)溫。

式中：VCE（sat）為IGBT 導通壓降；Is為流過IGBT 電流；D 為占空比。

式中：正負號代表變流器工作于逆變或者整流模式；φ 為交流電壓和電流基波分量之間的相位角；m 為調(diào)制度。

Diode 開關(guān)損耗可表示為：

式中：PDiode-sw為二極管的開關(guān)損耗；PDiode-cond為二極管的導通損耗。

式中：Erec為單脈沖下反向恢復損耗；IF為流過二極管電流。

Diode 導通損耗可表示為：

式中：VF為二極管導通壓降。

由式（8）、式（12）可以得到IGBT 模塊導通損耗及開關(guān)損耗，由此可以得到IGBT 在一個開關(guān)周期內(nèi)的損耗與通過的電流有很大關(guān)系。

根據(jù)上述推算過程，可以對模塊損耗進行計算，表1 所示為一款450 A/1 700 V 模塊的參數(shù)。取回路總電流800 A。IGBT 模塊四并聯(lián)及兩并聯(lián)系統(tǒng)中，單個IGBT 模塊理想分配電流為100 A及200 A，得出IGBT 模塊四并聯(lián)系統(tǒng)單個模塊的損耗為152 W，系統(tǒng)總損耗為608 W，IGBT 模塊兩并聯(lián)系統(tǒng)單個模塊的損耗為319 W，系統(tǒng)總損耗為638 W。

表1 相關(guān)IGBT 模塊損耗計算關(guān)鍵參數(shù)

為了驗證計算的結(jié)果，利用仿真軟件IPOSIM進行仿真計算[15]，得到不同并聯(lián)數(shù)量系統(tǒng)中單個模塊的損耗及芯片結(jié)溫變化情況。

表2 中單個模塊總損耗在154.8 W，系統(tǒng)四組模塊的總損耗為619.2 W，圖9 中顯示IGBT芯片結(jié)溫波動約為2.2 ℃。

圖9 四并聯(lián)模塊單個芯片結(jié)溫波動波形

表2 四并聯(lián)模塊單個模塊的損耗仿真結(jié)果

表3 中單個模塊總損耗在323.9 W，系統(tǒng)兩組總損耗為647.8 W，圖10 中顯示IGBT 芯片結(jié)溫波動約為5.5 ℃。

圖10 兩并聯(lián)模塊單個芯片結(jié)溫波動波形

仿真計算結(jié)果也表明，在相同的出力情況下，模塊并聯(lián)的數(shù)量多少對模塊本身也有較大的影響，當并聯(lián)模塊數(shù)量較少，單個模塊的出力較大，系統(tǒng)總損耗也較大，模塊芯片的結(jié)溫波動大。

4 結(jié)論

本文從IGBT 并聯(lián)數(shù)量的不同給并聯(lián)應用帶來的影響角度出發(fā)。通過實驗及仿真手段，分析IGBT 模塊數(shù)量在均流、損耗兩個方面的不同。進一步分析對變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性及性能的影響。

實驗及仿真結(jié)果表明，IGBT 模塊的并聯(lián)數(shù)量增加會導致模塊均流性變差，影響變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但在相同出力情況下系統(tǒng)總損耗會減少，且單個模塊的結(jié)溫較低且波動較小。IGBT 模塊并聯(lián)數(shù)量的減少會提高模塊組件的均流特性，變流器系統(tǒng)穩(wěn)定性提升，但在相同出力下系統(tǒng)損耗會增加，且單個模塊的結(jié)溫較高、波動較大，加速了模塊的老化，縮短了IGBT 模塊的使用壽命。

因此在制定IGBT 模塊并聯(lián)應用方案時，應當綜合考慮模塊并聯(lián)數(shù)量對變流器系統(tǒng)的穩(wěn)定性及性能的影響。