【导读】 鉴于迫切的环境需求，咱们必定确保清洁动力基础设备的启用，以缩小碳排放对环境的负面影响。在这一至关关键的动作中，风力发电技术表演了关键角色，并已处于上游位置。在过去的20年中，风力涡轮机的尺寸已扩展三倍，其发电功率大幅优化，不久后将打破15MW的大关。因此，先进风能变流器的需求在一直增长。这些变流器在顽劣境条件下上班，须要高度的牢靠性和坚挺性，以确保较长的经常使用寿命。为了在限度机柜内元件数量的状况下最大化功率输入，咱们须要驳回高功率密度设计。鉴于需求的继续增长，咱们的大规模消费才干显得尤为关键经过对现有逆变器设计的更新，不只能够降低危险，还能缩短开发期间，最终到达优化设计和开发流程的目标。

本文由英飞凌科技的现场运行工程师Marcel Morisse与初级技术市场经理Michael Busshardt共同撰写。

鉴于迫切的环境需求，咱们必定确保清洁动力基础设备的启用，以缩小碳排放对环境的负面影响。在这一至关关键的动作中，风力发电技术表演了关键角色，并已处于上游位置。在过去的20年中，风力涡轮机的尺寸已扩展三倍，其发电功率大幅优化，不久后将打破15MW的大关。因此，先进风能变流器的需求在一直增长。这些变流器在顽劣境条件下上班，须要高度的牢靠性和坚挺性，以确保较长的经常使用寿命。为了在限度机柜内元件数量的状况下最大化功率输入，咱们须要驳回高功率密度设计。鉴于需求的继续增长，咱们的大规模消费才干显得尤为关键经过对现有逆变器设计的更新，不只能够降低危险，还能缩短开发期间，最终到达优化设计和开发流程的目标。

英飞凌PrimePACK™产品驳回IGBT5.XT技术（FF1800R17IP5），可谓应答各项应战的出色处置打算。自2016年颁布以来，该模块已成为风力变流器中的规范选用。先进的互连技术与优化的芯片设计，不只确保了出色的牢靠性，同时也成功了高功率密度的个性。

虽然如此，鉴于环球面临的应战，咱们一直继续地启动改良。鉴于现代风力变流器系统的特定运转条件，英飞凌针对性地研发了两款优化的IGBT功率模块。新模块在坚持FF1800R17IP5 PrimePACK™ IGBT功率模块好处的同时，进一步成功了更高功率密度。

在本文中，咱们具体形容了优化环节的关键组件，并对开发环节中的重点启动了评述。此外，风能变流器性能的优化效果在成绩中获取了显明的表现。最后，咱们将简明讨论其余运行雷同可以从英飞凌PrimePACK™产品系列新增内容中获益的路径。

在思考风能变流器系统及其关系产业时，目前可以清楚观察到变流器组件向模块化设计及规范化的趋向开展。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。它还允许同一功率组件的重复屡次应用，实用于具有更高功率等级的风力涡轮机。因为风力涡轮机机舱内空间有限，因此参与机柜数量或者不事实。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，机侧交换变流器（MSC）与网侧交换变流器（LSC）的电气需求存在清楚不同，这是须要重点思考的另一个关键方面。对图1所展现的全额外变流器系统而言，这一特点表现得尤为清楚。因为功率流从发电机至直流母线，直流母线中的二极管接受最大负载。另一方面，在LSC中，因为电能流向交换电网，IGBT成为功率模块内接受应力最大的芯片。

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，咱们开发了两个针对性优化的功率模块，区分针对发电机侧和电网侧逆变器启动优化，以便更好地满足其特定需求，并基于FF1800R17IP5规范模块启动设计。以下局部将深化讨论定义并优化这两个功率模块的两个关键步骤。

关于风能运行，驳回高开关频率能够降低发电机损耗，并有助于坚持变流器柜内电网侧滤波器的正当尺寸。通常状况下，与具有相似功率级别的通用电机驱动逆变器相比，开关频率清楚要高得多。

在思考IGBT技术的特定状况下，应留意到开关损耗与导通损耗之间往往须要做出掂量（见图2）。在优化的IGBT5芯片中，为了允许更高的开关频率，咱们调整了折衷曲线，使其倾向于降低开关损耗的方向。鉴于LSC和MSC均需接受IGBT的高开关损耗，为此对这两个模块启动了优化调整，以应答位于两个不同位置的变流器需求。因为VCE饱和电压的参与，咱们经过采取额外的设计措施，成功了对其升高的局部补救[2,3,4]。图2出现了IGBT的优化结果。

图2：用于LSC和MSC模块的IGBT5芯片的灵活损耗折衷。

为了针对变换器启动专门优化，从而进一步提高模块的性能表现，咱们调整了芯片的尺寸，以缩小芯片的通态损耗，并针对接受最重负载的芯片，进一步优化了其热导率。如图3所示，LSC公用模块的芯片尺寸比例倾向于驳回更大的IGBT，而MSC公用模块则集成了较大的二极管。为了优化LSC而启动的这两项设计改良，引入了两个模块：针对LSC启动优化的FF2000XTR17IE5模块，以及针对MSC启动优化的FF1700XTR17IE5D模块。

图3：与基准模块相比，LSC和MSC公用模块的芯片尺寸比例不同。

图4展现了在风力变流器系统的典型运行中，这两个专门设计功率模块的好处所在。表1列出了仿真依据的相应操作条件。须要留意的是，与图4所示的规范模块相比，变流器功率的清楚参与仅经过改换功率模块来成功，变流器和控制的其余元件均坚持不变。

图4：驳回LSC/MSC公用模块，对风能系统启动模拟，其功率表现相较于规范模块有了清楚优化。

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

在此经常使用场景中，最大虚构结温（Tvj,max）是限度变流器功率的设计参数。一切驳回IGBT5.XT技术的PrimePACK™模块，在设计上最大温度限定为175°C。但是，在此次仿真中，为了给过载和缺点条件留出设计余量，温度被限度在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，须要思考功率半导体模块所接受的循环加载应力，以确保系统稳固性。鉴于风力发电机周围风况的变动，以及与潜在低频发电机频率的联合，这一起因尤为关键。但是，关于驳回IGBT5™ XT技术的PrimePACK™®产品，例如本文提到的模块，在负载频繁变动的残暴运行中，这并不会造成疑问。这里，.XT互连和IGBT5芯片技术在循环负载鲁棒性方面，成功了出色的性能[6]。

关于FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的性能好处，咱们目前仅从繁多稳固上班点启动了考量。实践上，如文献[4]所述，思考了由风速和电网需求共同选择的现场上班点，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。这些不同的上班条件造成不同的结温 Tvj,max。图5和图6显示了两个公用模块如何大大扩展了运转范围。因为LSC IGBT的最大温度相比规范模块缩小了25%，MSC二极管的温度降低了13%，从而成功了改良。

图 5：LSC半导体在不同上班条件下的温度：规范模块（左）和LSC公用模块（右）。白色区域用以标识结温超越设计极限的区域（单位：摄氏度）。

图6：在不同上班条件下，基准模块（左）与MSC公用模块（右）的半导体温度状况。白色区域示意结温超越了设计的限度[4]。

总之，咱们强调，虽然本文重点引见的新颁布的功率模块是为风能运行而设计的，但假设在设计中参与这些模块，其余惯例功率单向流动的大功率运行也会从中受益。例如，在驱动系统中，高开关频率有助于缩小电机的损耗。请留意，这两个模块都已优化，以允许高速的开关。电机运行中的有源电网变流器或电解槽运行都或者会从FF1700R17IE5D中的大功率二极管中受益。

总而言之，英飞凌最新推出的PrimePACK™系列产品FF2000XTR17IE5和FF1700R17IE5D，允许风电变流器设计更新到更高的功率水平。这些新产品能够缩短客户的开发期间并降低老本，同时依然提供出色的IGBT5.XT技术持重性。

参考文献

[1] 英飞凌科技 AGPrime- PACK™3+ B系列模块的 FF1800R17IP5 参数数据表, 2020, v.3.5。

[2] T. Laska 等场截止技术的IGBT概念及优化的二极管。

[3] A. Stegner 等“驳回 .XT 技术的下一代 1700V IGBT 和发射极可控二极管，2014 年”，德国纽伦堡 PCIM。

[4] M. Morisse 等经常使用功率模块对风能变流器启动系统评价与优化，用于电网侧和机器侧变流器，2023年，PCIM纽伦堡，德国。

[5] D. Grahame Holmes 等《功率变流器中的脉宽调制运行》，2003年，美国新泽西，IEEE出版社。

[6] T. Methfessel 等人“Prime-PACK™.XT 功率模块的寿命和功率循环建模的增强”，2020年，PCIM Europe 数字展览会，德国。

关于作者

Marcel Morisse

马塞尔领有电气工程的专业背景，并在风能转换器牢靠性畛域取得了博士学位。他于2018年参与英飞凌，担任现场运行工程师。在风能和驱动系统的运行畛域，他在设计导入环节中允许工业客户，协助他们选用最适宜的产品。此外，他在下一代功率变流器的开发中，针对功率半导体及配套的栅极驱动器集成电路提供了贵重的反应意见。

迈克尔·布斯哈特

迈克尔具有物理和经济学背景，并在量子测量实践方面取得了博士学位。他曾在光刻系统行业担任系统工程师达10年之久。他于2021年参与英飞凌担任名目经理，目前担任高功率半导体模块产品定义工程师。他担任定义下一代风力转换器所经常使用的半导体模块，并在客户设计阶段提供允许。

本文转载自： 英飞凌工业半导体

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