大功率IGBT模块ST20在风电中的应用

1.背景

1.1 风电大功率趋势

随着碳中和成为世界各国新的共同目标，新能源快速发展成为必然，而风电在我国能源消费中的比重也在不断增加。与此同时，风电大兆瓦时代已经来临。尤其是海上风电，风电机组不论是施工难度还是投资额度均远高于陆上，若规划相同规模的风场，机组单机容量的增加可以减少机组数量，从而有效降低单位投资，减少成本。在降本提效的要求下，风机单机功率增大已成为不可逆转的趋势，单机功率增加可以有效降低风场的度电运营成本。目前西门子歌美飒单机功率达到14MW，国内8-10MW样机也投入运行。

1.2 国内风电变流器发展趋势

大功率意味着大电流，为了减少系统成本，国内1140V 风机系统越来越成为主流。将风机电压从传统的690V提升至1140V，同等功率的风机电流降低35%，大幅提升电气传动系统和输变电系统的效率，降低度电成本，使得产品具备更强的市场竞争力。

对于1140V变流器，如果采用两电平拓扑，需要3.3kV电压等级IGBT模块，但是3.3kV器件的开关和导通损耗无法满足系统的效率及开关频率的要求，同时价格也更贵。因此，采用1700V的SEMiX3p封装半桥模块组成三电平NPC或者ANPC拓扑是目前国内主流方案，目前全功率单机做到5.XMW，但是随着变流器功率增大，采用1700V的SEMiX3p封装半桥模块方案存在内管电压尖峰、模块并联均流、输出电流偏小需要系统级并联等问题。而赛米控推出的低杂散电感、易于并联、大电流、标准封装的ST20模块，为大功率风电变流器应用提供了新的设计思路。

2.ST20在大功率风电中应用的优势

2.1 杂散电感小，便于叠层母排设计

图1: SEMiX3p（左）和ST20（右）封装

采用1700V的SEMiX3p封装半桥模块搭建三电平NPC拓扑如图2，因为模块本身结构的限制，连接模块的正负端子时无法使用叠层母排设计。当输出电压和输出电流有不同的相位的时候，存在长换流回路，需要经过三个模块，杂散电感通常在200nH左右，此时内管模块在关断时会产生比较高的尖峰电压。通常需要选择比较大的关断电阻值，驱动两级关断，有源钳位或者吸收电路来解决这一问题，避免模块过压损坏，但这些措施会增加功率损耗及成本。

采用ST20模块，输入输出端子连接简单，易于叠层母排设计，可以减小换流回路的杂散电感。同时，模块内部采用叠层设计，杂散电感较低（10nH）,约为SEMiX3p模块一半。长换流回路工况下，可以减小模块关断尖峰电压，甚至无需增大关断电阻，增加吸收电路等措施，降低电路设计难度。

图2: 3L NPC由SEMiX3p 半桥搭建

图3: 3L NPC 由 ST20搭建

2.2 均流特性好,易于并联

图4: SEMiX3p内部布局

图5: ST20内部布局

由于单个模块电流的限制，大功率的风电变流器无论两电平还是三电平需要多个模块的并联使用。而并联模块是否均流，限制了变流器的输出容量。为了更好的均流效果，除了驱动及控制的影响，IGBT模块外部结构如连接铜排等需要考虑对称均流设计，而模块内部布局同样会影响单个IGBT芯片的电流分布，*终影响系统输出能力。如图左边为SEMiX3p内部布局，可以看到上下管IGBT及Diode到功率端子并非等距对称设计。而右图ST20内部对称的布局设计，有更好的内部电流平衡特性。

图6: 短路测试

图7: 测试电流波形

图6为四个ST20并联搭建两电平测试平台，尽管人为把短路线连接位置靠右，四个模块电流均流特性依然很好,不平衡度在5%以内。正常工作时，其均流特性表现会更好。

2.3 高功率密度，满足大功率和可靠性要求

赛米控ST20适合高功率大电流密度的要求，是目前功率密度*大的封装，与1700V/600A的SEMiX3p相比，1700V/1200A的ST20电流密度从约6.4A/cm2提高到 8.6A/cm2。

MW级的变流器需要IGBT模块并联，并联的数量取决于IGBT的电流等级。为了获得相同的输出功率，使用SEMiX3p需要更多数量模块并联，更大面积的散热器，同时还有模块均流问题，增加结构和驱动设计难度及成本。同时我们知道海上风电环境更恶劣，一旦出现故障，维护成本和经济损失更大，因此对可靠性的要求也更高。而IGBT作为变流器的核心，减少IGBT、配套驱动、连接线缆、功率组件等数量可以提高变流器的可靠性。

我们简单对比1140V 3L拓扑，目前市场上SEMiX3p在三电平应用中*大并联数为4个，基于此不同数量ST20和SEMiX3p并联可能达到的输出功率估算如下图。因为实际应用条件可能不同，比如开关频率，电压电流及散热系统等，因此下图仅供参考。

图8: 可能的方案

以1140V全功率4.8MW风电为例，机侧额定输出电流2900A有效值，通常需要8个600A的SEMiX3p并联，如前文提到，市场上目前三电平IGBT模块*大并联数为4个，因此当使用SEMiX3p时需要2组2.xMW系统经过均流电抗器再并联使用；而当使用ST20时无需系统并联，单系统使用4个模块并联即可，只需要一半的驱动及连接电缆，同时降低了系统并联复杂性及成本。

表1: 4.8MW/1140V全功率变流器

根据工况，用赛米控在线仿真平台SemiSel初步评估SKM1200GB17E4S2I4的结温。散热器热阻0.002k/W,其他参数见表1。

通过仿真结果可以看出，电机侧*高结温113.02℃，网侧*高结温117.18℃，离模块允许工作结温还有超过30℃余量，可进一步优化开关特性或者平衡散热和成本。如果变流器功率达到10MW，使用赛米控ST20模块节省的驱动、电缆、功率组件等会更多，整机可靠性也会更高。

3.参考设计

图9: 基于ST20的两电平Stack

图9所示为基于ST20的两电平风电变流器Stack，双面水冷设计，单面四个SKM1200GB17E4S2I4并联。使用灵活，三个Stack组成的变流器输出功率达到3MW；单个Stack双面也可以并联使用，增大功率。基于ANPC拓扑的三电平组件正在设计中。

4.总结

综上所述，风电大兆瓦时代来临，尤其是海上风电，风机单机功率增大已成为不可逆转的趋势。采用SEMiX3p半桥模块组成1140V三电平NPC或者ANPC是目前国内主流方案,但是随着变流器功率增大，这种方案存在内管电压尖峰、模块并联均流及输出电流偏小需要系统级并联等问题。而赛米控推出的低杂散电感、易于并联、大电流、标准封装的ST20模块，为大功率变流器提供了新的选择。使用ST20可降低系统设计的复杂性及成本，提高变流器的可靠性。因此，ST20模块非常适合大功率风电变流器应用。