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适用于风力发电机的可靠电力电子器件

• 摘要：单个IGBT摸块难以满足风力发电所需的大功率器件要求。本文阐述了采用串并联的方法提高耐压和扩大容量以满足风力发电机驱动器和大功率逆变器的要求，并对用于中压风力发电机驱动器和逆变器的IGBT摸块进行了分析，利用串并联IGBT摸块可得到更高的输出功率和效率。 叙词：风力发电 逆变器 IGBT模块 并联 串联 Abstract：The IGBT module still not strong enough for wind power generation. This paper describes the use of series-parallel series way to improve and expand capacity to meet the wind-driven generators and power inverters requirements, and an analysis of the IGBT modules in mid-pressure for wind-driven generators and inverters,basic power electronic units are connected in series for higher voltages and in parallel for higher power levels. Keyword：Wind power,inverter,IGBT modules,parallel,serial
  1 引言

  在兆瓦级，大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而，对于某些应用来说，即使是目前可以得到的最大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。

  现在讨论一种可能的方案：电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器（一个独立单元）组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联，例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。

  本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接，没有任何电压和功率限制，并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压，并联以获得更高的功率等级。

  
  2 不同阻断电压下IGBT效率的对比

  IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。如今有各种电压等级的IGBT，广泛用于工业应用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级最适合大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的最大外壳中以制造逆变器时，可以找到这个问题的答案。当然，在最优工作条件下模拟可用功率更简单。

  为了做到这一点，选用了最大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了最佳工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6 kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。

  结果显示，采用3.3 kV、1200 A独立模块贴片电感器得到的最大功率约为采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模块所提供的功率仅为1.7 kV IGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率，可以看到损耗比为1:2:4。

  对于这个对比，我们使用了相同的载波开关频率fsw = 3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波主板电感器设计逆变器。使用不同的载波开关频率，将插件电感器导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可实现最大效率，它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。

  

  不同阻断电压下IGBT效率的对比.
  运行条件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9，相同模块和冷却条件下三相逆变器的运行
  

  1.7 kV IGBT封装在不同的模块外壳中。为了对比，我们可以采用最大的单管模块IHM 2.4kA、 1.7kV，将两个这样的模块和一个尺寸与长度相近的双管模块SKiiP1513GB172做比较。如果两个SKiiP在散热器上背靠背放置，则可得到一个电流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半桥（外壳温度= 25 ℃时 ），或者电流为 2.25kA的半桥（外壳温度为70 ℃时）。

  两个单管模块将提供一个2.4kA的半桥。比较计算的结果可以看到，与放置在最大外壳中的标准模块相比，采用SKiiP的方案可在整个开关频率范围内提供更高的输出电流。可用逆变器输出功率与开关频率的关系见图3。

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