對(duì)可靠性需求凸提示

2020年，中國(guó)以及全球海上風(fēng)電進(jìn)入快速增長(zhǎng)期，新一輪的海上風(fēng)電競(jìng)賽越發(fā)激烈，SGRE西門子歌美颯憑借14MW機(jī)型刷新了單機(jī)最大功率記錄（GE：12MW），MHI-Vestas 三菱維斯塔斯也推出10MW，另外，據(jù)公開(kāi)信息，設(shè)計(jì)功率高達(dá)18MW的海上風(fēng)機(jī)也已曙光初現(xiàn)。放眼中國(guó)，本土整機(jī)廠商的步伐也從未停歇，8到10MW的機(jī)組層出不窮，例如：金風(fēng)科技和上海電氣的8MW樣機(jī)已經(jīng)投入運(yùn)行。

與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)電的生存環(huán)境更惡劣、可達(dá)性更差、運(yùn)維成本更高，所以故障停機(jī)導(dǎo)致的損失也遠(yuǎn)高于陸上。就變流器現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證而言，海上風(fēng)電的試錯(cuò)機(jī)會(huì)更少，有長(zhǎng)期可靠性風(fēng)險(xiǎn)的產(chǎn)品一旦批量列裝，其對(duì)整機(jī)商和業(yè)主帶來(lái)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、散熱器并聯(lián)流道）的數(shù)量，以簡(jiǎn)化變流器的功率組件設(shè)計(jì)可以提升變流器的可靠性。

海上大兆瓦風(fēng)電變流器核心——

第五代大功率IGBT模塊

由于大功率海上風(fēng)機(jī)的變流器幾乎都是全功率變流器，需要多個(gè)IGBT模塊并聯(lián)。并聯(lián)的數(shù)量取決于IGBT模塊的電流等級(jí)。電流等級(jí)越大，需要的數(shù)量越少，系統(tǒng)設(shè)計(jì)也越簡(jiǎn)潔，可靠性也越高。那么10MW+/690V級(jí)的風(fēng)電變流器得用多少個(gè)IGBT模塊？100+，200+，還是300+？這么多的模塊數(shù)量是否會(huì)造成系統(tǒng)可靠性的幾何級(jí)數(shù)下降？

英飛凌第五代大功率IGBT模塊的旗艦產(chǎn)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(yùn)維成本）和長(zhǎng)PC壽命（PC是第四代產(chǎn)品的幾十倍，尤其適用于直驅(qū)和雙饋機(jī)組，降低運(yùn)維成本）。

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

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

通過(guò)仿真可以知道大概60個(gè)FF1800R17IP5可以實(shí)現(xiàn)10MW、72個(gè)實(shí)現(xiàn)12MW、108個(gè)實(shí)現(xiàn)18MW，詳細(xì)分析見(jiàn)下文。如果用其他更小電流等級(jí)的IGBT模塊實(shí)現(xiàn)10MW或者15MW，數(shù)量至少要加倍，比如用120個(gè)FF1000R17IE4、180個(gè)FF600R17ME4或者 240個(gè)FF450R17ME4也可以實(shí)現(xiàn)10MW。如果風(fēng)機(jī)功率增加到15MW，模塊的數(shù)量會(huì)更加懸殊，詳見(jiàn)圖2。

圖2： 10MW&15MW/690V全功率變流器-IGBT對(duì)比

FF1800R17IP5輕松應(yīng)對(duì)10MW+挑戰(zhàn)

根據(jù)1MW全功率風(fēng)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(tái)IPOSIM初步評(píng)估FF1800R17IP5的結(jié)溫。假定SVPWM調(diào)制，采用規(guī)格書中的開(kāi)關(guān)電阻、散熱器熱阻0.015k/W（一個(gè)IGBT+二極管開(kāi)關(guān)）、冷卻液溫度45℃，其他參數(shù)見(jiàn)表1.

表1： 1MW/690V全功率變流器額定工況

基于以上評(píng)估結(jié)果，機(jī)側(cè)最高結(jié)溫122.5℃，網(wǎng)測(cè)最高結(jié)溫114.4℃。和第五代大功率IGBT允許的175℃結(jié)溫（可長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行）相比，均有超過(guò)50℃的余量。為優(yōu)化變流器系統(tǒng)的性價(jià)比提供了更多的靈活性，比如：

優(yōu)化門極電阻和器件開(kāi)關(guān)特性

優(yōu)化開(kāi)關(guān)頻率、濾波器參數(shù)以提升并網(wǎng)性能

平衡散熱器性能和成本

考慮電流小一檔的IGBT模塊，比如FF1500R17IP5

綜上分析，用6個(gè)FF1800R17IP5可以實(shí)現(xiàn)1MW全功率變流器。從而也不難得出10MW+/690V變流器所用FF1800R17IP5的數(shù)量，如圖3所示。

圖3： 10MW+/690V全功率變流器-FF1800R17IP5

參考數(shù)量對(duì)比

FF1800R17IP5——極致簡(jiǎn)化功率

組件設(shè)計(jì)，提升變流器可靠性

大功率變流器通常采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，比如以單柜（功率等級(jí)1-3MW）或者功率組件（功率等級(jí)1-2MW）為基本單元，通過(guò)單柜并聯(lián)或者功率組件并聯(lián)的方式，實(shí)現(xiàn)變流器需要的功率等級(jí)。變流器模塊化方案的特點(diǎn)是可以靈活拓展功率范圍、減少物料種類、降低運(yùn)維成本和提升系統(tǒng)的性價(jià)比。

下面以1MW/690V功率組件為例，對(duì)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(shù)量進(jìn)行對(duì)比，功率組件連接示意圖見(jiàn)圖4。

FF450R17ME4x12，

每相4并聯(lián)

FF600R17ME4x9，

每相3并聯(lián)

FF1000R17IE4x6，

每相2并聯(lián)

FF1800R17IP5x3，每相1并聯(lián)

圖4： 1MW/690V功率組件-IGBT方案示意圖

FF450R17ME4和FF600R17ME4的電流等級(jí)較小，所以需要較多的模塊并聯(lián)。為了靈活調(diào)整并聯(lián)數(shù)量，每個(gè)模塊都通過(guò)單獨(dú)的適配板、線纜和驅(qū)動(dòng)核連接，這樣適配板和線纜的數(shù)量隨模塊數(shù)量線性變化。因FF1000R17IE4和FF1800R17IP5的電流較大，所以可以減少并聯(lián)數(shù)量。此外，由于輔助端子在模塊的一側(cè)，所以適配板的功能容易集成到驅(qū)動(dòng)板上，從而省去了大量的適配板和連接線纜。根據(jù)表2，F(xiàn)F450R17ME4和FF600R17ME4的部件數(shù)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(duì)比

如果用上述組件方案實(shí)現(xiàn)10MW全功率變流器，不同方案之間的部件數(shù)量更懸殊，如表3所示。由此可見(jiàn)，方案FF1800R17IP5所用的模塊和相關(guān)部件的數(shù)量最少，可以極致簡(jiǎn)化功率組件設(shè)計(jì)，極大減少系統(tǒng)的潛在故障點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)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(duì)比

海上風(fēng)電——總結(jié)

海上大功率風(fēng)機(jī)（超大功率風(fēng)機(jī)）要長(zhǎng)期可靠的在惡劣的海洋環(huán)境運(yùn)行，除了樁基、塔筒、發(fā)電機(jī)和葉片之外，深藏在風(fēng)機(jī)內(nèi)的變流器及其核心功率轉(zhuǎn)換部件——IGBT模塊，承載著每一度電能的變換，是決定整機(jī)可靠性的關(guān)鍵一環(huán)。

FF1800R17IP5可以用最少的數(shù)量（與表3其他IGBT方案對(duì)比，IGBT及其相關(guān)部件數(shù)量減少1到10倍），實(shí)現(xiàn)更高可靠性的10MW+/690V風(fēng)電變流器。英飛凌與您同行，助力中國(guó)海上風(fēng)電大功率風(fēng)機(jī)揚(yáng)帆啟航，創(chuàng)造屬于自己的海上風(fēng)電時(shí)代。

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英飛凌設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、制造并銷售各種半導(dǎo)體和系統(tǒng)解決方案。其業(yè)務(wù)重點(diǎn)包括汽車電子、工業(yè)電子、射頻應(yīng)用、移動(dòng)終端和基于硬件的安全解決方案等。

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