英飛凌第五代大功率IGBT模塊助力10MW+/690V高可靠性海上風電變流器

2020-11-23 電子工程專輯


2020年，中國以及全球海上風電進入快速增長期，新一輪的海上風電競賽越發激烈，SGRE西門子歌美颯憑藉14MW機型刷新了單機最大功率記錄（GE：12MW），MHI-Vestas 三菱維斯塔斯也推出10MW，另外，據公開信息，設計功率高達18MW的海上風機也已曙光初現。放眼中國，本土整機廠商的步伐也從未停歇，8到10MW的機組層出不窮，例如：金風科技和上海電氣的8MW樣機已經投入運行。


與陸上風電相比，海上風電的生存環境更惡劣、可達性更差、運維成本更高，所以故障停機導致的損失也遠高於陸上。就變流器現場驗證而言，海上風電的試錯機會更少，有長期可靠性風險的產品一旦批量列裝，其對整機商和業主帶來的損失難以估量。

因此，變流器作為能量變換的核心，必須具備更高的可靠性。減少IGBT模塊及其部件（適配板、連接線纜及接插件、散熱器並聯流道）的數量，以簡化變流器的功率組件設計可以提升變流器的可靠性。

海上大兆瓦風電變流器核心——

第五代大功率IGBT模塊

由於大功率海上風機的變流器幾乎都是全功率變流器，需要多個IGBT模塊並聯。並聯的數量取決於IGBT模塊的電流等級。電流等級越大，需要的數量越少，系統設計也越簡潔，可靠性也越高。那麼10MW+/690V級的風電變流器得用多少個IGBT模塊？100+，200+，還是300+？這麼多的模塊數量是否會造成系統可靠性的幾何級數下降？

英飛凌第五代大功率IGBT模塊的旗艦產品——FF1800R17IP5（1800A/1700V，如圖1所示）可完美解決這種焦慮。FF1800R17IP5具備高功率密度（減小變流器體積）、高可靠性（降低運維成本）和長PC壽命（PC是第四代產品的幾十倍，尤其適用於直驅和雙饋機組，降低運維成本）。

PrimePACK™ 2 IGBT5: FF1200R17IP5 (1200A/1700V)

圖1: PrimePACK™+ IGBT5: FF1800R17IP5 (1800A/1700V)和FF1500R17IP5 (1500A/1700V)

通過仿真可以知道大概60個FF1800R17IP5可以實現10MW、72個實現12MW、108個實現18MW，詳細分析見下文。如果用其他更小電流等級的IGBT模塊實現10MW或者15MW，數量至少要加倍，比如用120個FF1000R17IE4、180個FF600R17ME4或者 240個FF450R17ME4也可以實現10MW。如果風機功率增加到15MW，模塊的數量會更加懸殊，詳見圖2。

圖2: 10MW&15MW/690V全功率變流器-IGBT對比

根據1MW全功率風電變流器的典型額定工況，用英飛凌的功率器件在線仿真平臺IPOSIM初步評估FF1800R17IP5的結溫。假定SVPWM調製，採用規格書中的開關電阻、散熱器熱阻0.015k/W（一個IGBT+二極體開關）、冷卻液溫度45℃，其他參數見表1.

基於以上評估結果，機側最高結溫122.5℃，網測最高結溫114.4℃。和第五代大功率IGBT允許的175℃結溫（可長期連續運行）相比，均有超過50℃的餘量。為優化變流器系統的性價比提供了更多的靈活性，比如：

綜上分析，用6個FF1800R17IP5可以實現1MW全功率變流器。從而也不難得出10MW+/690V變流器所用FF1800R17IP5的數量，如圖3所示。

圖3: 10MW+/690V全功率變流器-FF1800R17IP5

參考數量對比

FF1800R17IP5——極致簡化功率

組件設計，提升變流器可靠性

大功率變流器通常採用模塊化的設計方案，比如以單櫃（功率等級1-3MW）或者功率組件（功率等級1-2MW）為基本單元，通過單櫃並聯或者功率組件並聯的方式，實現變流器需要的功率等級。變流器模塊化方案的特點是可以靈活拓展功率範圍、減少物料種類、降低運維成本和提升系統的性價比。

下面以1MW/690V功率組件為例，對4種IGBT模塊的功率組件方案及其適配板、連接線纜及端子和散熱器流道的總體數量進行對比，功率組件連接示意圖見圖4。

圖4: 1MW/690V功率組件-IGBT方案示意圖

FF450R17ME4和FF600R17ME4的電流等級較小，所以需要較多的模塊並聯。為了靈活調整並聯數量，每個模塊都通過單獨的適配板、線纜和驅動核連接，這樣適配板和線纜的數量隨模塊數量線性變化。因FF1000R17IE4和FF1800R17IP5的電流較大，所以可以減少並聯數量。此外，由於輔助端子在模塊的一側，所以適配板的功能容易集成到驅動板上，從而省去了大量的適配板和連接線纜。根據表2，FF450R17ME4和FF600R17ME4的部件數量分別比FF1800R17IP5多11倍和8倍。

表2：1MW/690V功率組件-IGBT及其部件對比

如果用上述組件方案實現10MW全功率變流器，不同方案之間的部件數量更懸殊，如表3所示。由此可見，方案FF1800R17IP5所用的模塊和相關部件的數量最少，可以極致簡化功率組件設計，極大減少系統的潛在故障點，是實現高可靠性功率組件和變流器的最佳選擇。

表3：10MW/690V全功率變流器-IGBT及其部件對比

海上大功率風機（超大功率風機）要長期可靠的在惡劣的海洋環境運行，除了樁基、塔筒、發電機和葉片之外，深藏在風機內的變流器及其核心功率轉換部件——IGBT模塊，承載著每一度電能的變換，是決定整機可靠性的關鍵一環。

FF1800R17IP5可以用最少的數量（與表3其他IGBT方案對比，IGBT及其相關部件數量減少1到10倍），實現更高可靠性的10MW+/690V風電變流器。英飛凌與您同行，助力中國海上風電大功率風機揚帆啟航，創造屬於自己的海上風電時代。

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