直面风力发电设计挑战

大功率整流元件选择

如前所述，我们必须先在塔顶将风机产生的不稳定交流电转换成直流电。这一整流用元件既可用大功率整流二极管，也可用晶闸管和IGBT。目前市面上大功率二极管和晶闸管供应商主要有：IXYS、英飞凌和ST。

英飞凌看好IGBT。陈子颖表示：“风机输出是电压和频率都不稳定的交流电，它需要整流后才能送去逆变。随着IGBT技术的发展，目前风电整流主要采用IGBT可控整流来实现。”

英飞凌IGBT芯片采用了沟槽栅场终止技术，损耗低，电流密度高，适合并联使用。这些是设计大功率整流器的基础。选择大电流IGBT模块(如2400A/3600A IGBT模块)可以把系统功率密度做得高一些，否则需要更多IGBT并联，甚至整流器并联。

风电整流器可以采用多种IGBT解决方案，如大电流IGBT模块 IHM，其最大电流可达3600A/1700V。在EconoPack+和EconoDUAL3封装中有450A/1700V不同电路结构的模块，在这些封装中都有适用于风电的第.四.代IGBT4的产品。陈子颖指出：“新的模块封装形式(如PrimePack)也成了风电整流器市场的新宠，这些新技术的应用会使得风电变流器的可靠性，寿命会大大提高，成本也会降低。”

PrimePack是一种新的大电流IGBT模块，内.部寄生电感很小，功率和温度循环周次高，其目标市场之一就是风力发电应用。


图3：英飞凌针对风电整流器市场的PrimePack大电流IGBT模块

IXYS 则偏好整流二极管。Bradley Green说：“每种二极管都有它自己的特性，因此不同的客户可能为某一应用选择不同类的二极管。不过，风机有二个简单的要求：最高的可靠性和大功率处理能力。在5-6MW功率级别上，这些基本要求使得你只能选择陶瓷封装二极管。”

最近，IXYS专门针对像风力发电这样的高电压应用开发出了额定工作电压高达3400V的整流器模块MDD75-34N1，它含有两个二极管，每个二极管在外壳温度为100℃时的平均额定电流为175A。它通常应用在风力发电系统前端的整流级。

“对于2500V以上的高效率大功率整流应用而言，这一新系列产品代表着一个巨大的技术突破，”Bradley Green表示，“我们的大多数竞争对手现在仍在为提高2000V以上整流器产品的可靠性而伤脑筋，这一3400V整流器模块的推出进一步凸显了IXYS 在双极高电压大功率领域长期以来的市场领导地位。”

逆变器要求可靠性更高IGBT

风电是一种极其不稳定的能源，风的强度每分种都在变化，一天中风力也不一样，而且一年四季可能会面临极端高温、低温以及飓风。作为风能的变换和控制关键器件，IGBT 模块会承受功率和温度的频繁变化，这会使得IGBT寿命缩短。在 IEC60747中，IGBT模块的重要可靠性指标就是功率周次和温度周次。

由于风电系统的需求把功率逆流器输出功率提到了一个新高度，这就需要新的功率半导体技术和模块封装技术来降低逆变器损耗，提高效率和实现更高的功率密度。

陈子颖表示：“我们第.四.代IGBT4模块的最高工作结温已从125度提高到了150度，这使得系统能效比有了显著的提高。目前采用IGBT4芯片的英飞凌IGBT模块功率周次比上一代产品在相同工作条件下提高了5倍，新的封装形式(如PrimePack)温度周次提高了7倍。”

IXYS公司全球销售副总裁Bradley Green也指出：“在许多风电应用场合，普通塑封IGBT模块的可靠性和效率已经无法满足系统的可靠性要求，必须采用可靠性更高的陶瓷压接式IGBT。”

他说：“我们的SPT+ Press-Pack IGBT产品是5.5-6MW功率级别风力发电机设计的基础。由于昂贵的安装成本缘故，这一功率级别要求极高的可靠性。尽管竞争对手在这一功率级别也能提供替代技术解决方案，但我们不相信它们的产品能够在系统级质量和可靠性上满足这一级别风力发电机的要求。”

与前一代产品相比，采用最新SPT+技术的新一代Press-Pack IGBT具有更大的安全工作区间，导通状态损耗也降低了约25%。IXYS的全资英国子公司Westcode开发的Press-Pack IGBT采用完全密封压接陶瓷封装，以确保其市场领先的在兆瓦级大功率应用中的可靠性，在这类应用中，效率和可靠性是最重要的。

“随着Press-Pack IGBT进入成熟的大规模生产阶段，”IXYS公司国际销售副总裁Bradley Green说，“将SPT+技术集成进Press-Pack IGBT就是合乎逻辑的下一步骤，因为这可以进一步提升效率和产品系列的坚固性。随着大功率应用(如风力发电机)对高功率密度和最高级别可靠性的要求越来越高，Westcode已经看到市场正在快速接受我们的产品。”

SPT+ Press-Pack IGBT系列的集电极电流范围从240A到2400A，集电极发射极电压可到4500V。T2400GB45E是新一代SPT+ Press-Pack IGBT系列的一个例子，它是一个2.4kA、4.5kV的Press-Pack IGBT，采用外部直径为168毫米的陶瓷封装。Westcode还提供将一个内.部二极管与IGBT做在一个封装内的产品。

Press-Pack IGBT完全没有模块化设计所固有的可靠性缺点，如引线邦定或luo片焊接工艺，它在大功率应用中的可靠性已经被证明是业内最佳的。Westcode还提供一个互补性的大功率SONIC二极管系列，它的速度和软开关能力可理想地匹配IGBT，他们组合起来可提供一个针对大功率应用的有吸引力的解决方案。

Bradley Green说：“在风机内，大功率SONIC二极管(快速恢复超软)主要设计用作与陶瓷封装IGBT配对的续流二极管。”

英飞凌目前除了为风电市场提供IGBT产品外，还提供功能完善的逆变器系统功率元件，包括IGBT模块、驱动保护、滤波电容、直流总线、散热器等，客户只要设计控制板就可以完成一个完整逆变器的开发工作。陈子颖说：“我们已成功地把这一产品引进到中.国，使国内风电厂商自主逆变器的开发速度大大提高，从而帮助他们解决了风电供应链上最大的瓶颈问题。未来我们会致力于加强IGBT模块在风电市场中的推广和技术支持工作，帮助国内变流器厂商开发出基于IGBT模块的高可靠性、低成本产品。”

但对于超大功率风机，我们一般需要使用晶闸管来作为逆变器的功率元件，因为工作在非常大功率的风电机通常含有很多储存的电能。不管它们是储存在电容库还是马达/变压器绕组上，这一电能都可能是极具破.坏性的，并给系统带来了一个很大的技术难题。与 IGBT或其它解决方案相比，晶闸管具有极高的电流浪涌额度和更高的热质量。对于一些主要设计目标不是效率而是鲁棒性和长寿命的风电机来说，晶闸管可能是最好的技术选择。

上述储存在电容库和绕组中的电能在紧急情况下必须放掉。这些放电应用会在电路中的任一电能存储位置上形成一个受控短路。在这些应用中一般不采用IGBT，因为IGBT的抗浪涌电流额度值不高和成本太贵。而晶闸管具有极高的电流浪涌额定值，因此它在任一要求叶片以最佳发电速度旋转的“软启动”应用中仍受青睐。