1 引言
在兆瓦級,，大功率電力電子應用中需要大容量的半導體器件,。然而,，對于某些應用來說，即使是目前可以得到的最大半導體器件容量也不夠大,。因此需要將它們并聯(lián),。在傳統(tǒng)的電力電子電路中將半導體器件并聯(lián)是非常普遍的。
現(xiàn)在討論一種可能的方案：電力電子裝配把包含IGBT和二極管的IGBT基本單元,、散熱器,、直流環(huán)節(jié)電容、驅(qū)動器和保護電路,、輔助電源和PWM控制器（一個獨立單元）組裝在一個三相逆變器中,。這些單元可以并聯(lián)，例如用于一臺帶永磁發(fā)電機的4象限驅(qū)動風力發(fā)電機和所展示的全功率4兆瓦變換器,。
本文介紹一種在中壓范圍內(nèi)得到更大風力發(fā)電功率的方法,。該方法使用變速中壓永磁發(fā)電機的線路接口連接，沒有任何電壓和功率限制,，并且采用已經(jīng)證明有效的半導體器件和組件,。將基本電力電子單元串聯(lián)以獲得更高的電壓，并聯(lián)以獲得更高的功率等級,。
2 不同阻斷電壓下IGBT效率的對比
IGBT在電力電子電路中使用非常廣泛,。如今有各種電壓等級的IGBT，廣泛用于工業(yè)應用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV,、4.5kV和6.5kV的中壓IGBT,。那么哪種電壓等級最適合大功率應用呢？當上述IGBT被放置在目前可得到的最大外殼中以制造逆變器時,，可以找到這個問題的答案,。當然，在最優(yōu)工作條件下模擬可用功率更簡單,。
為了做到這一點,，選用了最大的標準外殼（IHM，190mm寬）,。IGBT都被封裝在這個外殼中,，并定義了最佳工作條件：直流運行電壓Vdc、,交流輸出電壓Vac,、載波開關(guān)頻率3.6 kHz以及盡可能好的冷卻條件,。圖1顯示了基于給定參數(shù)而計算出的不同IGBT的可用功率。
結(jié)果顯示,，采用3.3 kV,、1200 A獨立模塊得到的最大功率約為采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半,。相比之下,，6.5 kV、600 A IGBT模塊所提供的功率僅為1.7 kV IGBT的四分之一,。產(chǎn)生這一結(jié)果的原因是IGBT模塊的損耗,。如果計算圖2中三個變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4,。
對于這個對比,，我們使用了相同的載波開關(guān)頻率fsw = 3.6kHz。這使得我們有機會采用相對較小的濾波器設(shè)計逆變器,。使用不同的載波開關(guān)頻率,，將導致所用的輸出正弦濾波器不同?；谏鲜龇N種原因,，可以看出，采用1.7 kV IGBT可實現(xiàn)最大效率,，它是一款單位模塊價格非常合理的標準工業(yè)產(chǎn)品,。
不同阻斷電壓下IGBT效率的對比.
運行條件是：fsw = 3,6KHz、cosφ = 0.9,，相同模塊和冷卻條件下三相逆變器的運行
1.7 kV IGBT封裝在不同的模塊外殼中,。為了對比，我們可以采用最大的單管模塊IHM 2.4kA,、 1.7kV,，將兩個這樣的模塊和一個尺寸與長度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個SKiiP在散熱器上背靠背放置,，則可得到一個電流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半橋（外殼溫度= 25 ℃時 ）,，或者電流為 2.25kA的半橋（外殼溫度為70 ℃時）。
兩個單管模塊將提供一個2.4kA的半橋,。比較計算的結(jié)果可以看到,，與放置在最大外殼中的標準模塊相比，采用SKiiP的方案可在整個開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流,?？捎媚孀兤鬏敵龉β逝c開關(guān)頻率的關(guān)系見圖3。
如果采用了更強大的SKiiP模塊,，如使用氮化鋁作為陶瓷基板的SKiiP 1.8kA, 1.7kV,，可從三相逆變器獲得更高的功率，即1800 kVA,。
圖4 配備了1800 kVA基本單元的示例
3 并聯(lián)IGBT模塊
以下方案對于IGBT模塊的并聯(lián)運行是可行的,。
⑴ 一臺三相逆變器用于整個功率的提供，相腳是由許多并聯(lián)的IGBT模塊和一個強大的驅(qū)動器組成,。每個IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對稱直流環(huán)節(jié)和交流輸出連接,。[1]
⑵ 三相IGBT基本單元硬并聯(lián),。
整個系統(tǒng)是通過一臺控制器及其PWM信號控制。所有三相逆變器都連接到一個公共的直流環(huán)節(jié)電壓,。對于每個獨立基本單元驅(qū)動器,，采用驅(qū)動器并聯(lián)板實現(xiàn)并聯(lián)。驅(qū)動器工作時間小的變化（小于100ns ）是通過小的交流輸出扼流圈進行補償?shù)模姼?lt; 5 μH）,。所有的三相逆變器同時運行,，但存在小的時延，小時延可通過額外的交流扼流圈進行補償,。采用對稱布局和IGBT飽和壓降的正溫度系數(shù)來保證適當?shù)呢撦d電流均衡,。[2]
第2項所述的系統(tǒng)每個基本單元附帶PWM信號的附加校正。并聯(lián)基本單元的精確負載電流均衡是由附加PWM校正控制的,。
將幾個帶同步PWM的單元并聯(lián)運行,，且用附加PWM控制消除循環(huán)電流。[3]
每個基本單元都使用電氣負載隔離,。各個基本單元都有自己的控制器,，通過絕緣繞組給負載提供電力。PWM是獨立的,、非同步的,、自由運行的信號，且每個基本單元都有自己單獨的直流環(huán)節(jié),。在電網(wǎng)側(cè),，每個基本單元有自己的正弦LC濾波器。假如輸出也是電氣隔離的,，則不同直流環(huán)節(jié)間不存在循環(huán)電流,。 這是將帶有標準獨立控制器的標準獨立基本單元并聯(lián)起來的最簡單的方法。
一個基于發(fā)電機側(cè)電氣隔離的簡單設(shè)計如圖5所示 ,。三個并聯(lián)的帶分立電機繞組的獨立4象限驅(qū)動器,。該驅(qū)動器可以和一個或兩個驅(qū)動器并聯(lián)運行。
三個1500kVA 4Q驅(qū)動單元連接到永磁風力發(fā)電機單獨的繞組上,。每個4象限驅(qū)動器都是標準的,，擁有自己的發(fā)電機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)控制器。第四個控制器的目的是提供統(tǒng)一的發(fā)電機扭矩共享,。萬一運行過程中一個4象限驅(qū)動器出現(xiàn)了問題,，其余驅(qū)動器的運行不會被中斷。所描述的系統(tǒng)已應用于3.6MW風力發(fā)電機,，該風力發(fā)電機擁有一臺帶有三個獨立繞組的永磁發(fā)電機,。該系統(tǒng)為最多達12個四象限驅(qū)動器并聯(lián)而研制，可用于連接12臺發(fā)電機或12個發(fā)電機繞組。[4]
4 基本單元的串聯(lián)
風力發(fā)電機設(shè)計工程師需要將以下諸方面考慮到他們的設(shè)計中,。
⑴ 大功率風力發(fā)電機,；
⑵ 低損耗；
⑶ 變速,；
⑷ 高效率,；
⑸ 采用經(jīng)驗證有效的半導體元件；
⑹ 使用簡單的線變壓器,，得到純凈的正弦波電流；
⑺ 線路功率因數(shù)良好且總諧波失真??；
⑻ 有功和無功功率控制；
⑼ 模塊化設(shè)計,，適合不同的功率和電壓且安裝快速,；
⑽ 可靠性高；
⑾ 最低的成本,。
可選的最佳方案：中壓發(fā)電機,。 在未來的大功率風力發(fā)電機設(shè)計中，中壓發(fā)電機是必不可少的,。然而,，中壓硅片并不適用于此類應用。因此,，正確的解決方案是將基本單元串聯(lián)起來,。例如：一臺額定輸出電壓為6.3 kV的5MW風力發(fā)電機，輸出電流為3 x 436 Arms,。整流過的變速發(fā)電機電壓為1kV～10 kV的直流電壓,。
這樣變化的電壓如何才能連入電網(wǎng)？每個風力發(fā)電機需要有自己的變壓器用來與電網(wǎng)相連,。電網(wǎng)的電壓應在20kV-30kV范圍,，這應該是變壓器的輸出電壓。
變壓器可由幾個三相繞組組成,，這里用了10個,，每個為3 x 690 V，作為輸入電壓,。
5 基于單元的中壓風力發(fā)電機
新型中壓風力發(fā)電機的原理如圖6所示,。
每個三相繞組附帶一個基本單元和一個600kVA的三相逆變器。第四個IGBT管腳可被連接到每個基本單元的前面,，這種排列可被稱為中壓單元,。所有單元都可如圖6所示串聯(lián)起來。如果第四管腳的IGBT開關(guān)是關(guān)斷的，發(fā)電機的直流電流將對單元直流環(huán)節(jié)電壓進行充電,。單元電網(wǎng)側(cè)三相逆變器放電,，控制自己的直流環(huán)節(jié)電壓。對于3 x 690V交流電壓,，直流環(huán)節(jié)電壓將為1.05kV,。10個串聯(lián)的基本單元可以產(chǎn)生高達10 ×1.05 kV = 10.5kV的反電動勢（EMF）。電壓仍然與整流后的發(fā)電機電壓保持平衡,。如果發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降,，發(fā)電機電壓也會變低。因此,，為控制整流后的直流電流,，也是為控制發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，不得不旁路掉部分單元,。如果旁路掉5個單元,，剩余的反電動勢是5 ×1.05 kV = 5.25kV。旁路掉更多的單元會增加直流電流和發(fā)電機轉(zhuǎn)矩,。被旁路掉的單元可向電網(wǎng)提供全部的無功功率,。如果某個單元失效，它也將被旁路掉,。單元直流環(huán)節(jié)電壓最大值是1.2 kV ,，因此即使僅有9個單元串聯(lián)也可承載高達9 ×1.2 kV = 10.8kV的整流后發(fā)電機電壓。
6 帶中壓同步發(fā)電機的變速風力發(fā)電機
帶中壓同步發(fā)電機的變速風力發(fā)電機特點如下,。
⑴ 發(fā)電機直流電壓范圍從0至Vdcmax;
⑵ 每單元直流電壓1.05 kV（采用1.7 kV硅片）,；
⑶ Vdc max. per cell = 1.2 kV；
⑷ 單元數(shù)量= Vdcmax/Vcell+1,；
⑸ 單元功率：Pgenmax/單元數(shù)量,；
⑹ 系統(tǒng)冗余 (+1)；
⑺ 單元導通時間在0%-100%之間變化,；
⑻ 關(guān)斷的單元可以產(chǎn)生全部的無功功率,；
⑼ 不論功率高低，效率都高 ,；
⑽ 線路測紋波頻率 = Ncell × Fswcell,；
⑾ 簡單的網(wǎng)側(cè)變壓器。
7 結(jié)論
大功率應用使用多個IGBT模塊,。然而,，使用更多的帶獨立控制的開關(guān)要好的多。例如,，用幾個并聯(lián)或串聯(lián)的單元而不是一個巨大的單個單元,。
優(yōu)點如下：
⑴- 線路的功率因數(shù)好、電流總諧波失真小、開關(guān)頻率更低,、更少的無源器件,；
⑵ 模塊化設(shè)計，適合不同的功率和電壓且安裝快速,；
⑶- 采用經(jīng)驗證有效的半導體元件,；
⑷- 更高的效率；
⑸- 高可靠性,；
⑹- 極低的每kW成本,。