适用于风力发电机的可靠电力电子设计

1 引言

　　在兆瓦级，大功率电力电子应用中需要大容量的半导体器件。然而，对于某些应用来说，即使是目前可以得到的最大半导体器件容量也不够大。因此需要将它们并联。在传统的电力电子电路中将半导体器件并联是非常普遍的。

　　现在讨论一种可能的方案：电力电子装配把包含IGBT和二极管的IGBT基本单元、散热器、直流环节电容、驱动器和保护电路、辅助电源和PWM控制器（一个独立单元）组装在一个三相逆变器中。这些单元可以并联，例如用于一台带永磁发电机的4象限驱动风力发电机和所展示的全功率4兆瓦变换器。

　　本文介绍一种在中压范围内得到更大风力发电功率的方法。该方法使用变速中压永磁发电机的线路接口连接，没有任何电压和功率限制，并且采用已经证明有效的半导体器件和组件。将基本电力电子单元串联以获得更高的电压，并联以获得更高的功率等级。

　　2 不同阻断电压下IGBT效率的对比

　　IGBT在电力电子电路中使用非常广泛。如今有各种电压等级的IGBT，广泛用于工业应用的1200V和1700V IGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中压IGBT。那么哪种电压等级最适合大功率应用呢？当上述IGBT被放置在目前可得到的最大外壳中以制造逆变器时，可以找到这个问题的答案。当然，在最优工作条件下模拟可用功率更简单。

　　为了做到这一点，选用了最大的标准外壳（IHM，190mm宽）。IGBT都被封装在这个外壳中，并定义了最佳工作条件：直流运行电压Vdc、,交流输出电压Vac、载波开关频率3.6 kHz以及尽可能好的冷却条件。图1显示了基于给定参数而计算出的不同IGBT的可用功率。

　　结果显示，采用3.3 kV、1200 A独立模块得到的最大功率约为采用1.7 kV、2400 A IGBT所得功率的一半。相比之下，6.5 kV、600 A IGBT模块所提供的功率仅为1.7 kV IGBT的四分之一。产生这一结果的原因是IGBT模块的损耗。如果计算图2中三个变换器的效率，可以看到损耗比为1:2:4。

　　对于这个对比，我们使用了相同的载波开关频率fsw = 3.6kHz。这使得我们有机会采用相对较小的滤波器设计逆变器。使用不同的载波开关频率，将导致所用的输出正弦滤波器不同。基于上述种种原因，可以看出，采用1.7 kV IGBT可实现最大效率，它是一款单位模块价格非常合理的标准工业产品。