IGBT提高风力变流器性能

  21世纪一大挑战是控制全球变暖，以限制气候平均状态随时间的变化的影响。这个目标只可以通过在世纪的上半叶大幅度减少温室气体排放来达成。2019年，能量和热量生产是温室效应最大的贡献者，占全球排放量的近三分之一。

  因此，实现清洁能源基础设施，以减少这些贡献是至关重要且紧迫的。风力技术是重要角色，并已经在领头羊。在过去20年中，风力转子已经翻了三倍，它们的功率输出也得到了极大的增强，很快将超过15MW的标记。因此，对高度先进的风力转换器的需求和要一直增长。在恶劣的环境条件下运行，这些转换器需要高可靠性和强度以确保其长寿命。更进一步，需要高功率密度以在限制机柜内部件数量的同时最大化功率输出。此外，大规模生产能力对于满足增长的需求至关重要。

  利用风力转换器中的IGBT模块。它结合了先进的互连技术和优化的芯片设计，提供了可靠性和高功率密度。

  我们现在可以明显地看到风力变流器系统朝着模块化转化堆栈设计和标准化的趋势。这种方法支持在保持短开发周期的同时提高功率等级的需求。它也允许对具有更高功率等级的风力汽轮机使用相同的功率堆栈进行多次复用。然而，由于风力涡轮机轮舱的空间存在限制，可能没办法增加机柜的数量。因此，需要改善个别堆栈的功率密度。

  机侧转换器（MSC）和线侧转换器（LSC）在风力转换系统中的电气要求显著不同，这又是另一个需要仔细考虑的核心问题。尤其对于全额定转换系统而言，由于来自发电机向直流电链路的功率流动，MSC中的二极管承受着最大的负荷。另一方面，LSC中，功率流向交流电网，使IGBT成为功率模块中最受压力的芯片。

  鉴于这些不同的要求，通常要应用两种不同的电力模块，以优化每个模块对发电机侧和电网侧转换器的特殊需求。

  高切换频率对风力应用有利，因为它能够更好的降低发电机损失，并在变流器机柜中保持合理的滤波器尺寸。通常来说，切换频率明显高于具有类似功率等级的通用马达驱动器。

  在这个背景下，有必要注意一下的是，在任何给定的 IGBT 技术中，总是存在切换损耗和导通损耗之间的权衡。在优化的 IGBT 芯片中，这种权衡被修改用于支持更高的切换频率，通过减少切换损耗而改变了权衡。由于LSC 和 MSC 都受到IGBT的高切换损耗的影响，这种权衡修改既适用于两种模块，也针对了两种不同的转换器位置做了适配。VCE,sat 的增长部分是通过额外的设计措施进行补偿的。

  电力半导体模块周期性载荷应力的生命周期需求是风力系统的另一种典型设计参数。这种问题特别的重要，因为基本发电机频率可能偏低，而风力涡轮机周围的风力条件不断变化。

  文章提出的IGBT模块是设计针对风力应用的，但如果在其它设计的具体方案中也需要采用IGBT模块，或者其他需要定时进行单向功率流的高功率应用也可以借鉴。例如，在驱动应用中，高切换频率对于减少马达损失有益。同样，要注意IGBT模块也可以优化用于支持高切换速度。此外，用于马达应用的活动电网转换器或电解器应用也可能从 IGBT中的大二极管获益。

  电流间接控制结合电网电压前馈补偿的控制策略，可以使系统具有较好的稳定性和动态

  采用交-直- 交三电平电压型主电路拓扑，呈控制电流源特性，容易并联，易于大功率化组装

  装置 /

  控制 /

  系统的组成及研究设计 /

  的集成二极管进行退饱和控制，可以明显降低二极管的反向恢复损耗。该文在牵引