基于大功率风电变流器IGBT模块的可靠性设计分析

尚效周唐侃周桂生

摘要：风力发电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球大规模开发应用。大功率风电变流器由于和普通变流器有非常大的区别，对大功率风电变流器进行设计的过程中需要注意的事项有很多，而大功率的风电变流器由于自身结构设计的特殊要求，母排的可靠性设计是影响整机的关键因素。基于此，本文主要对大功率风电变流器母排可靠性设计进行分析。

关键词：大功率；风电变流器；母排设计

1、前言

在当今节能减排的大环境下，发展以风能为代表的新能源已是大势所趋。大功率风电变流器本身和普通的变流器有很大的区别，功率密度、工作环境、工作状态的不同，以及可能出现的台风、冰雹等恶劣天气。均会对大功率风电变流器电气设备的可靠性及安全性造成影响。在电气设备的设计过程中，母排的可靠性设计是影响整机性能的关键因素，如设计不当，会有IGBT功率模块炸毁、绝缘失效、局部放电及过热等影响。因此基于大功率风电变流器母排的可靠性设计做详细分析。

2、IGBT模块的关键器件选型设计

风电功率组件中的关键器件包括功率器件、支撑电容器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、低感母排及散热器等，其中功率器件与支撑电容器选型直接关系功率组件的性能指标和可靠性。功率组件包含多种电路拓扑结构，但其基本电路拓扑为全桥功率组件，目前绝大部分风电变流器使用的功率器件为IGBT。下面对全桥电路拓扑IGBT功率组件的IGBT及支撑电容器的选型进行介绍。

2.1 IGBT 选型

IGBT选型主要根据计算的电压等级与电流大小来确定。因风电变流器对可靠性与成本要求很高，在满足电压、电流前提下，应尽量选取市场用量大、质量好、成本低的器件。

低压风电系统直流电压额定值通常为1050V，保护值通常设为1250V，实际最高直流电压可能超过1300V，因此，为使IGBT能可靠正常工作，即最高工作电压不超过1700V。功率组件设计往往需采取过电压抑制措施，如保证主电路杂散电感尽可能低；采用带有过电压抑制或软关断的驱动电路；必要时还需外加过电压吸收电路，如在IGBT附近直流端增加吸收电容等。在采取相应过电压抑制措施后，为评估IGBT电压选型是否满足要求，可采用在最高工作电压下，进行IGBT最大工作电流关断测试及短路测试来验证器件的实际最高过电压峰值是否超过标称值来评判。

IGBT的电流定额还要考虑热设计结果，确保器件的结温在可靠的范围内。可通过实际工况计算器件的损耗，再根据系统的热阻计算器件的最高结温，也可采用器件厂家提供的热计算仿真软件得到器件的最高结温，最终通过试验进行验证。设计选型时需均衡考虑，器件定额太小，则利用不充分，造成浪费，定额太大，必然使器件工作结温太高，降低可靠性。一般而言，为保证器件在各种异常条件下的可靠性，其最高工作结温离器件允许的最高工作结温应有一定余量。

2.2 支撑电容器

支撑电容器的作用是稳定中间直流电压，提供瞬时能量交换，与电源及负载交换无功。支撑电容器可选择铝电解电容器或金属化薄膜电容器。早期，因铝电解电容器的价格优势及单位体积容量大的优点，在中小功率变频器领域占居主导；但铝电解电容器因其额定电压通常不超过500V，风电应用中需要串联使用来满足中间电压要求，且还具有寿命短、电流小、容量偏差大、损耗大及频率特性差等缺陷。随着技术的发展与进步，铝电解电容器相比金属化薄膜电容器，已无明显成本优势，在新开发的风电变流系统中已基本不再使用，但部分老产品仍在沿用。对于支撑电容使用金属化薄膜电容器的系统，若支撑电容器通过低感母排与IGBT并联，在保证系统电感足够低的前提下，还可省去桥臂两端的过电压吸收电路，使系统电路更加简洁。

3、IGBT模块设计关键技术

3.1 散热技术

散热是变流器中一项关键技术，影响系统的功率密度、性能、可靠性及成本等。风电作为新能源的代表，各科研院所与企业均对散热原理进行深入研究。风电变流器通常采用风冷或水冷散热方式，风冷散热方式维护方便，在功率较小、系统不复杂时使用有优势；水冷散热方式散热效率高，在大功率风电系统中应用优势明显。目前2MW及以下的风电变流器较多采用风冷方式，2MW以上的风电变流器多采用水冷方式，尤其是3MW及以上的大型风电变流器。

直接基板散热技术，如Danfoss公司，设计了直接将IGBT基板压接在水槽上的ShowerPower技术，其思路是基板表面垂直冷却，缩短流道长度，在冷却液还未被加热时就使其流出。基于这种思路，Danfoss公司设计了一种带有流量分配的冷却装置，散热器内部划分成若干小室，每个小室均有一个垂直于模块基板的进液口和出液口，流过一个小室的冷却液不流经其他小室，使得冷却液以相同的温度流入所有小室，从而使器件的内部温度分布更加均匀，散热效果比Pin-fin技术略好，且成本更低。直接衬板散热技术，以赛米控公司产品为例，采用SKiiP压接技术，直接将IGBT衬板压接在散热器上，省去了IGBT基板，比标准基板散热方式减小了30%的热阻，使散热效率得到大幅提升；同时因无铜基板的热膨胀问题，可延长功率模块的使用寿命。赛米控公司的功率组件已在风力发电中大批量应用。

3.2母排的叠层结构设计

低感母排又称叠层母排，是一种正负极导电层上下叠层，中间采用绝缘材料隔离，正负电极外表面覆以绝缘层，通过热压粘接一体化成形的复合母排结构。相比普通铜排连接，低感母排具有电感及阻抗低、安全性及可靠性高、结构紧凑、防差错以及更好的电流承载能力与散热效果等优势]。功率组件采用低感母排可抑制IGBT器件关断过电压及降低尖峰电压，提高IGBT使用寿命。具体有以下几点：

（1）节省内部空间，降低系统成本

使用叠层母排的设备能够利用较小的空间实现大电流、高电压元器件之间的连接，降低系统成本，提高设备可靠性和稳定性。

（2）减少物料，便捷安装

使用叠层母排可以减少物料种类，便于库存管理；对现场安装人员识别要求降低，大幅降低了安装出错风险和安装难度，提高安装效率。

（3）降低杂散电感，降低尖峰电压保护IGBT

在主电路中，由于开关器件、直流侧电容的寄生电感等一直无法改变，而抑制开关电压杂散电感是低感母排性能的重要指标，设计时需要考虑母排结构，绝缘层厚度、母排宽度、安装孔位置等，尽量减小电流环路面积，降低杂散电感等。

（4）安全性能好

使用传统分离式母排，受振动，盐雾和粉尘影响会严重威胁设备的安全；长期振动可能造成分离式母排连接处松动解体，粉尘累积可能导致爬电击穿。

而使用叠层母排，高强度整体粘结保证长期不松动，同等电流下可以使铜排尽量减薄，用弹性补偿振动影响，全密闭结构纺织潮气渗入，绝缘材料封装消除了爬电击穿的威胁。

3.3支撑电容布局设计

支撑电容器的作用是稳定中间直流电压，提供瞬时能量交换，与电源及负载交换无功。支撑电容器可选择铝电解电容器或金属化薄膜电容器。早期，因铝电解电容器的价格优势及单位体积容量大的优点，在中小功率变频器领域占居主导；但铝电解电容器因其额定电压通常不超过500V，风电应用中需要串联使用来满足中间电压要求，且还具有寿命短、电流小、容量偏差大、损耗大及频率特性差等缺陷。随着技术的发展与进步，铝电解电容器相比金属化薄膜电容器，已无明显成本优势，在新开发的风电变流系统中已基本不再使用，但部分老产品仍在沿用。对于支撑电容使用金属化薄膜电容器的系统，若支撑电容器通过低感母排与IGBT并联，在保证系统电感足够低的前提下，还可省去桥臂两端的过电压吸收电路，使系统电路更加简洁。

3.4 其他技术

根据变流器构建的方便性等要求，功率组件可选配集成其他部件或功能，常见的有集成检测与保护功能，如赛米控公司、英飞凌公司的通用型功率组件；有的甚至集成了完整的变流器控制功能，整个组件相当于一台变流器，如ABB、超导公司风电变流器中的功率组件。检测与保护功能主要包括电流检测、温度检测、电压检测及其保护功能。集成检测与保护功能的功率组件，通过集成芯片还可包含脉冲控制（如死区、最小脉宽控制等）以及控制电源的过、欠压保护功能。

根据变流器的需求，有的功率组件还包括控制自取电功能，如Switch公司风电变流器中使用的Vacon公司功率组件，控制电路从直流母线自取电，变流器不需要提供功率组件的控制供电电源。为实现功率组件的自诊断，某些功率组件还带有故障记录及存储功能。

4、结语

总之，在对大功率风电变流器进行母排设计的过程中，需要注意的事项非常多，不仅仅是需要注意环境问题，还需要注意的就是母排设计过程中合理性，在设计之前相关的测量和准备工作需要做好，可以提高母排可靠性设计的工作效率。

参考文献：

［1］冯江华.风电变流器的技术现状与发展［J］.大功率变流技术，2013(3)：5-11.

［2］黄晟，王辉，廖武，等.基于VSC-HVDC串并联拓扑结构风电场协调控制策略研究［J］.电工技术学报，2015(12)：155-162.

［3］高宁，王勇，蔡旭.三电平中压风电变流器的研究［J］.电力电子技术，2011，45(11)：39-46.