直面風(fēng)力發(fā)電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

IXYS則偏好整流二極管。Bradley Green說(shuō)：“每種二極管都有它自己的特性，因此不同的客戶可能為某一應(yīng)用選擇不同類的二極管。不過(guò)，風(fēng)機(jī)有二個(gè)簡(jiǎn)單的要求：最高的可靠性和大功率處理能力。在5-6MW功率級(jí)別上，這些基本要求使得你只能選擇陶瓷封裝二極管?！?

最近，IXYS專門(mén)針對(duì)像風(fēng)力發(fā)電這樣的高電壓應(yīng)用開(kāi)發(fā)出了額定工作電壓高達(dá)3400V的整流器模塊MDD75-34N1，它含有兩個(gè)二極管，每個(gè)二極管在外殼溫度為100℃時(shí)的平均額定電流為175A。它通常應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)前端的整流級(jí)。

“對(duì)于2500V以上的高效率大功率整流應(yīng)用而言，這一新系列產(chǎn)品代表著一個(gè)巨大的技術(shù)突破，”Bradley Green表示，“我們的大多數(shù)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手現(xiàn)在仍在為提高2000V以上整流器產(chǎn)品的可靠性而傷腦筋，這一3400V整流器模塊的推出進(jìn)一步凸顯了IXYS在雙極高電壓大功率領(lǐng)域長(zhǎng)期以來(lái)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位?！?

逆變器要求可靠性更高IGBT

風(fēng)電是一種極其不穩(wěn)定的能源，風(fēng)的強(qiáng)度每分種都在變化，一天中風(fēng)力也不一樣，而且一年四季可能會(huì)面臨極端高溫、低溫以及颶風(fēng)。作為風(fēng)能的變換和控制關(guān)鍵器件，IGBT模塊會(huì)承受功率和溫度的頻繁變化，這會(huì)使得IGBT壽命縮短。在 IEC60747中，IGBT模塊的重要可靠性指標(biāo)就是功率周次和溫度周次。

由于風(fēng)電系統(tǒng)的需求把功率逆流器輸出功率提到了一個(gè)新高度，這就需要新的功率半導(dǎo)體技術(shù)和模塊封裝技術(shù)來(lái)降低逆變器損耗，提高效率和實(shí)現(xiàn)更高的功率密度。

陳子穎表示：“我們第.四.代IGBT4模塊的最高工作結(jié)溫已從125度提高到了150度，這使得系統(tǒng)能效比有了顯著的提高。目前采用IGBT4芯片的英飛凌IGBT模塊功率周次比上一代產(chǎn)品在相同工作條件下提高了5倍，新的封裝形式(如PrimePack)溫度周次提高了7倍。”

IXYS公司全球銷售副總裁Bradley Green也指出：“在許多風(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)合，普通塑封IGBT模塊的可靠性和效率已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)的可靠性要求，必須采用可靠性更高的陶瓷壓接式IGBT?！?

IXYS公司全球銷售副總裁Bradley Green指出：“在許多風(fēng)電應(yīng)用場(chǎng)合，必須采用陶瓷壓接式IGBT?！?

他說(shuō)：“我們的SPT+ Press-Pack IGBT產(chǎn)品是5.5-6MW功率級(jí)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。由于昂貴的安裝成本緣故，這一功率級(jí)別要求極高的可靠性。盡管競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手在這一功率級(jí)別也能提供替代技術(shù)解決方案，但我們不相信它們的產(chǎn)品能夠在系統(tǒng)級(jí)質(zhì)量和可靠性上滿足這一級(jí)別風(fēng)力發(fā)電機(jī)的要求?！?

與前一代產(chǎn)品相比，采用最新SPT+技術(shù)的新一代Press-Pack IGBT具有更大的安全工作區(qū)間，導(dǎo)通狀態(tài)損耗也降低了約25%。IXYS的全資英國(guó)子公司W(wǎng)estcode開(kāi)發(fā)的Press-Pack IGBT采用完全密封壓接陶瓷封裝，以確保其市場(chǎng)領(lǐng)先的在兆瓦級(jí)大功率應(yīng)用中的可靠性，在這類應(yīng)用中，效率和可靠性是最重要的。

“隨著Press-Pack IGBT進(jìn)入成熟的大規(guī)模生產(chǎn)階段，”IXYS公司國(guó)際銷售副總裁Bradley Green說(shuō)，“將SPT+技術(shù)集成進(jìn)Press-Pack IGBT就是合乎邏輯的下一步驟，因?yàn)檫@可以進(jìn)一步提升效率和產(chǎn)品系列的堅(jiān)固性。隨著大功率應(yīng)用(如風(fēng)力發(fā)電機(jī))對(duì)高功率密度和最高級(jí)別可靠性的要求越來(lái)越高，Westcode已經(jīng)看到市場(chǎng)正在快速接受我們的產(chǎn)品?！?

SPT+ Press-Pack IGBT系列的集電極電流范圍從240A到2400A，集電極發(fā)射極電壓可到4500V。T2400GB45E是新一代SPT+ Press-Pack IGBT系列的一個(gè)例子，它是一個(gè)2.4kA、4.5kV的Press-Pack IGBT，采用外部直徑為168毫米的陶瓷封裝。Westcode還提供將一個(gè)內(nèi).部二極管與IGBT做在一個(gè)封裝內(nèi)的產(chǎn)品。

Press-Pack IGBT完全沒(méi)有模塊化設(shè)計(jì)所固有的可靠性缺點(diǎn)，如引線邦定或luo片焊接工藝，它在大功率應(yīng)用中的可靠性已經(jīng)被證明是業(yè)內(nèi)最佳的。Westcode還提供一個(gè)互補(bǔ)性的大功率SONIC二極管系列，它的速度和軟開(kāi)關(guān)能力可理想地匹配IGBT，他們組合起來(lái)可提供一個(gè)針對(duì)大功率應(yīng)用的有吸引力的解決方案。

Bradley Green說(shuō)：“在風(fēng)機(jī)內(nèi)，大功率SONIC二極管(快速恢復(fù)超軟)主要設(shè)計(jì)用作與陶瓷封裝IGBT配對(duì)的續(xù)流二極管?！?

英飛凌目前除了為風(fēng)電市場(chǎng)提供IGBT產(chǎn)品外，還提供功能完善的逆變器系統(tǒng)功率元件，包括IGBT模塊、驅(qū)動(dòng)保護(hù)、濾波電容、直流總線、散熱器等，客戶只要設(shè)計(jì)控制板就可以完成一個(gè)完整逆變器的開(kāi)發(fā)工作。陳子穎說(shuō)：“我們已成功地把這一產(chǎn)品引進(jìn)到中.國(guó)，使國(guó)內(nèi)風(fēng)電廠商自主逆變器的開(kāi)發(fā)速度大大提高，從而幫助他們解決了風(fēng)電供應(yīng)鏈上最大的瓶頸問(wèn)題。未來(lái)我們會(huì)致力于加強(qiáng)IGBT模塊在風(fēng)電市場(chǎng)中的推廣和技術(shù)支持工作，幫助國(guó)內(nèi)變流器廠商開(kāi)發(fā)出基于IGBT模塊的高可靠性、低成本產(chǎn)品?！?

但對(duì)于超大功率風(fēng)機(jī)，我們一般需要使用晶閘管來(lái)作為逆變器的功率元件，因?yàn)楣ぷ髟诜浅４蠊β实娘L(fēng)電機(jī)通常含有很多儲(chǔ)存的電能。不管它們是儲(chǔ)存在電容庫(kù)還是馬達(dá)/變壓器繞組上，這一電能都可能是極具破.壞性的，并給系統(tǒng)帶來(lái)了一個(gè)很大的技術(shù)難題。與IGBT或其它解決方案相比，晶閘管具有極高的電流浪涌額度和更高的熱質(zhì)量。對(duì)于一些主要設(shè)計(jì)目標(biāo)不是效率而是魯棒性和長(zhǎng)壽命的風(fēng)電機(jī)來(lái)說(shuō)，晶閘管可能是最好的技術(shù)選擇。

上述儲(chǔ)存在電容庫(kù)和繞組中的電能在緊急情況下必須放掉。這些放電應(yīng)用會(huì)在電路中的任一電能存儲(chǔ)位置上形成一個(gè)受控短路。在這些應(yīng)用中一般不采用IGBT，因?yàn)镮GBT的抗浪涌電流額度值不高和成本太貴。而晶閘管具有極高的電流浪涌額定值，因此它在任一要求葉片以最佳發(fā)電速度旋轉(zhuǎn)的“軟啟動(dòng)”應(yīng)用中仍受青睞。

并網(wǎng)同步晶閘管選擇

不少風(fēng)電系統(tǒng)還在使用晶閘管實(shí)現(xiàn)逆變器輸出交流電與電網(wǎng)交流電的同步。由于電網(wǎng)交流電的頻率并不高，因此我們一般選擇相位控制晶閘管而不是快速開(kāi)關(guān)晶閘管。

Bradley Green表示：“晶閘管的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單地對(duì)應(yīng)工作的頻率。今天，快速開(kāi)關(guān)晶閘管主要用于5-10KHz應(yīng)用，針對(duì)50到100Hz應(yīng)用的相位控制晶閘管具有更好的電流浪涌額度，這常常比更高的開(kāi)關(guān)速度更吸引人?！?

Westcode目前已針對(duì)大功率風(fēng)電應(yīng)用開(kāi)發(fā)出新的6500V相位控制晶閘管。針對(duì)低正向傳導(dǎo)損耗進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的該新器件，具有1695A的標(biāo)稱RMS額定電流和10.5kA的浪涌電流額定值。該晶閘管采用47毫米極面密封壓接封裝，使用了Westcode先進(jìn)無(wú)合金工藝。

當(dāng)與相同電壓級(jí)別的類似器件比較時(shí)，為得到非常低的導(dǎo)通態(tài)電壓而優(yōu)化設(shè)計(jì)的該相位控制晶閘管在1000A電流流過(guò)時(shí)的正向壓降只有2V。

防雷元件選擇

安裝在野外的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須安裝防雷系統(tǒng)。雷擊會(huì)產(chǎn)生瞬間的過(guò)電壓，即在微秒至毫秒內(nèi)會(huì)產(chǎn)生高達(dá) 6KV伏的尖峰沖擊電壓。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，強(qiáng)大的電流會(huì)通過(guò)各種途徑間接或直接地侵入機(jī)房設(shè)備使其損壞。據(jù)測(cè)定雷電電流可達(dá)20萬(wàn)安培，既使是造成直接危害的二次感應(yīng)電流也達(dá)l萬(wàn)安培。因此風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)必須采用合適的防過(guò)壓和過(guò)流元件來(lái)抵抗雷電的沖擊。

風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)需要進(jìn)行不同等級(jí)防雷保護(hù)的基本組件有：風(fēng)力渦輪機(jī)、逆變器、控制風(fēng)力渦輪機(jī)葉片間距和方位的電機(jī)、以及用于監(jiān)測(cè)和控制的低電壓電路板。

Littelfuse公司業(yè)務(wù)和技術(shù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理Jim Colby指出：“風(fēng)力渦輪機(jī)遭受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)很高，因此需要可靠的防雷保護(hù)。這可以采用能抵抗幾千安培浪涌電流沖擊的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)來(lái)達(dá)到保護(hù)目的。這些MOV可以制造成34毫米或更大的盤(pán)，從而可以耗散大量浪涌能量?！?

理論上，可以采用兩類過(guò)壓保護(hù)元件(即鉗位元件和開(kāi)關(guān)元件)為風(fēng)電應(yīng)用提供過(guò)壓保護(hù)。鉗位元件有MOV和TVS二極管，它們可在工作時(shí)允許小于規(guī)定鉗位水平的電壓通過(guò)負(fù)載。開(kāi)關(guān)元件主要有氣體放電管(GDT)和晶閘管浪涌電壓抑制器，它們對(duì)超過(guò)突破電壓的浪涌所作出的反應(yīng)與分流元件相同。

開(kāi)關(guān)元件相對(duì)于鉗位元件的優(yōu)勢(shì)是，在動(dòng)作狀態(tài)下，當(dāng)它把有害浪涌電流導(dǎo)出負(fù)載時(shí)，出現(xiàn)在負(fù)載上的電壓極??；而鉗位元件仍保持鉗位電壓。因此，開(kāi)關(guān)元件中耗散的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉗位元件。因此，Tyco電子認(rèn)為，第一級(jí)防雷元件最好選擇GDT，第二級(jí)防雷元件最好選擇晶閘管浪涌電壓抑制器。過(guò)流保護(hù)最好采用可復(fù)位的PolySwitch元件，與一次性熔斷器相比，它可避免經(jīng)常更換器件的麻煩，從而可大幅降低維護(hù)成本。

逆變器的AC端直接連到電網(wǎng)，因此它曝露于電網(wǎng)傳導(dǎo)的雷擊危險(xiǎn)之下。Jim表示，它的雷擊防護(hù)可采用中等級(jí)別的MOV，它們可以是14mm或20mm的盤(pán)。

用于葉片間距或方位控制電機(jī)由二級(jí)電源電路控制，它們受到的雷擊浪涌電流比較有限，因此