1 引言?
在兆瓦級(jí)，大功率電力電子應(yīng)用中需要大容量的半導(dǎo)體器件。然而，對(duì)于某些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，即使是目前可以得到的*大半導(dǎo)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(dǎo)體器件并聯(lián)是非常普遍的。
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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(dòng)器和保護(hù)電路、輔助電源和PWM控制器（一個(gè)獨(dú)立單元）組裝在一個(gè)三相逆變器中。這些單元可以并聯(lián)，例如用于一臺(tái)帶永磁發(fā)電機(jī)的4象限驅(qū)動(dòng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和所展示的全功率4兆瓦變換器。
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本文介紹一種在中壓范圍內(nèi)得到更大風(fēng)力發(fā)電功率的方法。該方法使用變速中壓永磁發(fā)電機(jī)的線路接口連接，沒(méi)有任何電壓和功率限制，并且采用已經(jīng)證明有效的半導(dǎo)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(jí)。
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2 不同阻斷電壓下IGBT效率的對(duì)比
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IGBT在電力電子電路中使用非常廣泛。如今有各種電壓等級(jí)的IGBT，廣泛用于工業(yè)應(yīng)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(jí)*適合大功率應(yīng)用呢？當(dāng)上述IGBT被放置在目前可得到的*大外殼中以制造逆變器時(shí)，可以找到這個(gè)問(wèn)題的答案。當(dāng)然，在*優(yōu)工作條件下模擬可用功率更簡(jiǎn)單。
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為了做到這一點(diǎn)，選用了*大的標(biāo)準(zhǔn)外殼（IHM，190mm寬）。IGBT都被封裝在這個(gè)外殼中，并定義了*佳工作條件：直流運(yùn)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(jì)算出的不同IGBT的可用功率。
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結(jié)果顯示，采用3.3 kV、1200 A獨(dú)立模塊得到的*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(jì)算圖2中三個(gè)變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4。
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對(duì)于這個(gè)對(duì)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(jī)會(huì)采用相對(duì)較小的濾波器設(shè)計(jì)逆變器。使用不同的載波開關(guān)頻率，將導(dǎo)致所用的輸出正弦濾波器不同。基于上述種種原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可實(shí)現(xiàn)*大效率，它是一款單位模塊價(jià)格非常合理的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)產(chǎn)品。?
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不同阻斷電壓下IGBT效率的對(duì)比.
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運(yùn)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(yùn)行
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1.7 kV IGBT封裝在不同的模塊外殼中。為了對(duì)比，我們可以采用*大的單管模塊IHM 2.4kA、?? 1.7kV，將兩個(gè)這樣的模塊和一個(gè)尺寸與長(zhǎng)度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個(gè)SKiiP在散熱器上背靠背放置，則可得到一個(gè)電流是2 x 1.5kA = 3.0kA的半橋（外殼溫度= 25 ℃時(shí) ），或者電流為 2.25kA的半橋（外殼溫度為70 ℃時(shí)）。
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兩個(gè)單管模塊將提供一個(gè)2.4kA的半橋。比較計(jì)算的結(jié)果可以看到，與放置在*大外殼中的標(biāo)準(zhǔn)模塊相比，采用SKiiP的方案可在整個(gè)開關(guān)頻率范圍內(nèi)提供更高的輸出電流。可用逆變器輸出功率與開關(guān)頻率的關(guān)系見圖3。
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如果采用了更強(qiáng)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。
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圖4?? 配備了1800 kVA基本單元的示例
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3 并聯(lián)IGBT模塊
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以下方案對(duì)于IGBT模塊的并聯(lián)運(yùn)行是可行的。
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⑴ 一臺(tái)三相逆變器用于整個(gè)功率的提供，相腳是由許多并聯(lián)的IGBT模塊和一個(gè)強(qiáng)大的驅(qū)動(dòng)器組成。每個(gè)IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對(duì)稱直流環(huán)節(jié)和交流輸出連接。[1]
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⑵? 三相IGBT基本單元硬并聯(lián)。
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整個(gè)系統(tǒng)是通過(guò)一臺(tái)控制器及其PWM信號(hào)控制。所有三相逆變器都連接到一個(gè)公共的直流環(huán)節(jié)電壓。對(duì)于每個(gè)獨(dú)立基本單元驅(qū)動(dòng)器，采用驅(qū)動(dòng)器并聯(lián)板實(shí)現(xiàn)并聯(lián)。驅(qū)動(dòng)器工作時(shí)間小的變化（小于100ns ）是通過(guò)小的交流輸出扼流圈進(jìn)行補(bǔ)償?shù)模姼? 5 μH）。所有的三相逆變器同時(shí)運(yùn)行，但存在小的時(shí)延，小時(shí)延可通過(guò)額外的交流扼流圈進(jìn)行補(bǔ)償。采用對(duì)稱布局和IGBT飽和壓降的正溫度系數(shù)來(lái)保證適當(dāng)?shù)呢?fù)載電流均衡。[2]
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第2項(xiàng)所述的系統(tǒng)每個(gè)基本單元附帶PWM信號(hào)的附加校正。并聯(lián)基本單元的精確負(fù)載電流均衡是由附加PWM校正控制的。
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將幾個(gè)帶同步PWM的單元并聯(lián)運(yùn)行，且用附加PWM控制消除循環(huán)電流。[3]
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每個(gè)基本單元都使用電氣負(fù)載隔離。各個(gè)基本單元都有自己的控制器，通過(guò)絕緣繞組給負(fù)載提供電力。PWM是獨(dú)立的、非同步的、自由運(yùn)行的信號(hào)，且每個(gè)基本單元都有自己?jiǎn)为?dú)的直流環(huán)節(jié)。在電網(wǎng)側(cè)，每個(gè)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(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立控制器的標(biāo)準(zhǔn)獨(dú)立基本單元并聯(lián)起來(lái)的*簡(jiǎn)單的方法。
