大容量风电变流器中IGBT模块多并联策略

陈志强，于 彬，刘 洋，杨定堃

（1.南瑞集团有限公司（国网电力科学研究院有限公司），南京 211106；2.国电南瑞科技股份有限公司，南京 211106）

0 引言

近十几年，国内风电机组单机容量等级不断攀升，单机容量从kW 级往着MW 级方向不停更新换代，目前陆上的主流风机容量为2～5 MW，海上主流风机容量更是达到了5～10 MW，并往更高的功率等级发展[1-3]。变流器作为风电发电机组中并网环节的关键器件，其在整个发电机组中的重要性不言而喻，随着机组单机容量的升级，变流器也跟随着往大功率方向发展。

IGBT（绝缘栅双极型晶体管）具有开关频率高、通态压降小、驱动电路简单且功率小等优点，相比于GTO（可关断晶闸管）、IGCT（集成门极换流晶闸管）等其他全控型功率器件在变流器等电力电子产品应用中更具优势。但在大容量的风电变流器设计中，使用单个IGBT 模块的方案很难满足技术要求。现有提高变流器系统容量的方式一般分为两种：直接选用大容量电力电子功率模块，或者使用小功率IGBT 模块并联实现。目前大功率的电力电子功率半导体器件如晶闸管等很难满足变流器中控制要求。所以，从经济及应用灵活性等角度出发，在大功率变流器应用场景中大多采用IGBT 模块并联的技术方案[4-6]。通过模块的并联可以简单、有效的提升模块组件的通流能力，满足大功率风电变流器的设计需求。但并联方案中并联数量的选择对风电变流器系统稳定及性能有较大影响。

在IGBT 模块的并联应用研究中，现有研究对象更多的是模块之间的不均流，对IGBT 模块并联数量的不同给变流器系统所带来的影响的没有充分研究。IGBT 模块本身的输出特性及温度特性决定了不同并联数量的IGBT 模块给变流器系统带来的影响差别较大[7]。本文从IGBT 模块并联数量对风电变流器系统的稳定性及性能两个方面，首先分析IGBT 模块并联应用中的不均流问题及IGBT 模块并联应用中损耗问题，通过实验及仿真的方法分别对不同并联数量的IGBT 模块所带来的不均流及损耗问题进行定性分析。最后对比不同IGBT 模块并联数量的数据结果，从变流器系统稳定性及性能角度给出在IGBT 模块并联应用中数量选择的建议，为IGBT 模块并联应用提供规则参考。

1 IGBT 模块并联应用特性分析

1.1 静态不均流特性

“静态”是指IGBT 模块在工作时已经完全开通，影响其均流特性的主要是IGBT 自身输出特性。

IGBT 功率模块典型的输出特性曲线如图1所示（本文IGBT 模块以FF450R17ME4 为例），该曲线门极驱动电压VGE为15 V，不同结温下集射极饱和压降VCE（sat）与导通电流IC关系的特性曲线。并联稳态条件下，主要是两个模块的输出特性不同影响到电流分配不均[8]。不同结温下，IGBT 的饱和压降VCE（sat）和导通电流IC的关系可近似拟合成线性，以结温Tvj为25 ℃为例，可以拟合成：

图1 IGBT 模块的输出特性

式（1）中通态电阻r、阈值电压V0是和结温Tvj有关的参数。

图2中，电压1V01、电压2V02分别是两块IGBT模块在导通电流为零时对应的集射极电压VCE。压差1ΔV1、压差2ΔV2分别是导通电流为IC1和IC2时对应的两模块通态饱和压降变化量。模块1，2 的输出特性可近似描述为：

图2 不同IGBT 功率模块输出特性比较

由于模块1，2 并联，其集射极两端电压相等，所以有：

联立以上等式，得到支路电流与IGBT 饱和压降的关系式：

推导可知，IGBT 并联应用时，静态下，饱和压降较低的模块将分得更多的电流。此外驱动电压还会通过影响饱和压降间接影响并联模块的均流。

1.2 动态不均流特性

“动态”是指IGBT 模块处于开通或者关断的时刻，影响其均流的因素是模块自身转移特性。

如图3 所示，两个转移特性不一致的模块并联，当给其施加相同的门极电压VGE时，其中转移特性陡峭的IGBT 模块将承受更多的电流。除此之外，模块的阈值电压、输入电容对并联应用的均流也有一定影响。

图3 并联模块的转移特性比较

2 模块并联数量对均流的影响

IGBT 并联使用的方案中，多模块并联必然会带来各个模块不均流的现象，模块并联数量的选择对均流现象有一定影响，模块的不均流现象会影响变流器系统的稳定性。

IGBT 并联使用中，不均流现象分静态和动态两大类。主要受自身参数、驱动参数及系统布局影响[9-10]。考虑到这几点影响搭建测试平台，分别对IGBT 模块四并联及IGBT 模块两并联系统进行双脉冲测试。为了保证外部参数对测试结果的影响，选用同一测试平台环境。

电路拓扑结构采用双向DC/DC Buck-Bost 电路，如图4 所示，为模块四并联测试拓扑图。

图4 实验电路拓扑示意

双脉冲测试需要转换的能量非常低，负载电感不必消耗任何热量[11]。本实验选用空芯电抗器，电感值为：

式中：VDC为直流母线电压；IC为模块导通电流；t1，t3为两个开通脉冲时间。模块的开通关断时间长短及发射极电流大小对并联均流性有一定影响，所以测试中，通过更改电抗器的电感值大小来保证实验的一致性。根据式（6）可以计算出不同测试条件下的电感选用值。

实验平台如图5 所示，由于IGBT 模块的开关速度较快，会产生较高的di/dt，风电变流器开关频率一般为1 000～3 000 Hz，因此，对主回路的杂散电感有一定要求，本平台采用杂散电感低的叠层母排连接。为了模拟真实工况，会在模块底部进行加热使模块底部温度保持在125 ℃，使芯片温度接近工作时的真实值。同时为了使工作温度具有较高的一致性，实验中将IGBT 模块安装在同一个大的散热铝基板上。主体回路在设计中，优先保证IGBT 模块电路、结构的对称性。本次实验四并联及两并联模块采用相同的测试平台。同样为了保证模块有较好的一致性，实验中使用的模块为同一批次的产品。驱动方式采用直接栅极驱动连接，保证驱动信号的一致性。

图5 实验平台主体3D 结构及实物

（1）IGBT 模块四并联测试

（2）IGBT 模块两并联测试

图6 为IGBT 模块四并联双脉冲测试波形，动态特性最大不均流度小于10%；静态不均流度小于10%，图7 为IGBT 模块两并联双脉冲测试波形，动态特性最大不均流度小于5%，静态不均流度小于5%。

图6 四并联测试波形

图7 两并联模块测试波形

测试结果表明，在相同的测试环境中，IGBT模块的两并联结构其动态及静态均流特性要优于IGBT 模块的四并联。

3 模块并联数量对损耗的影响

IGBT 模块的损耗主要由开关损耗、开通损耗及控制损耗，如图8 所示。其中控制损耗较小，一般可以忽略不计[12-14]。

图8 模块损耗构成

在结构上，IGBT 模块包含IGBT 芯片及Diode芯片，所以模块损耗由两例芯片构成，可表示为：

式中：P 为IGBT 模块损耗；PIGBT为IGBT 芯片损耗；PDiode为Diode 芯片损耗。其中：

式中：PIGBT-sw为IGBT 开关损耗；PIGBT-cond为IGBT导通损耗。

式中：fSW为IGBT 开关频率；Eon，Eoff分别为IGBT单脉冲下开通、关断损耗；Is为流过IGBT 的电流；VDC为直流侧电压；Iref为参考电流；Vref为参考电压；Ksw为温度修正系数；Tj为芯片结温。

式中：VCE（sat）为IGBT 导通压降；Is为流过IGBT 电流；D 为占空比。

式中：正负号代表变流器工作于逆变或者整流模式；φ 为交流电压和电流基波分量之间的相位角；m 为调制度。

Diode 开关损耗可表示为：

式中：PDiode-sw为二极管的开关损耗；PDiode-cond为二极管的导通损耗。

式中：Erec为单脉冲下反向恢复损耗；IF为流过二极管电流。

Diode 导通损耗可表示为：

式中：VF为二极管导通压降。

由式（8）、式（12）可以得到IGBT 模块导通损耗及开关损耗，由此可以得到IGBT 在一个开关周期内的损耗与通过的电流有很大关系。

根据上述推算过程，可以对模块损耗进行计算，表1 所示为一款450 A/1 700 V 模块的参数。取回路总电流800 A。IGBT 模块四并联及两并联系统中，单个IGBT 模块理想分配电流为100 A及200 A，得出IGBT 模块四并联系统单个模块的损耗为152 W，系统总损耗为608 W，IGBT 模块两并联系统单个模块的损耗为319 W，系统总损耗为638 W。

表1 相关IGBT 模块损耗计算关键参数

为了验证计算的结果，利用仿真软件IPOSIM进行仿真计算[15]，得到不同并联数量系统中单个模块的损耗及芯片结温变化情况。

表2 中单个模块总损耗在154.8 W，系统四组模块的总损耗为619.2 W，图9 中显示IGBT芯片结温波动约为2.2 ℃。

图9 四并联模块单个芯片结温波动波形

表2 四并联模块单个模块的损耗仿真结果

表3 中单个模块总损耗在323.9 W，系统两组总损耗为647.8 W，图10 中显示IGBT 芯片结温波动约为5.5 ℃。

图10 两并联模块单个芯片结温波动波形

仿真计算结果也表明，在相同的出力情况下，模块并联的数量多少对模块本身也有较大的影响，当并联模块数量较少，单个模块的出力较大，系统总损耗也较大，模块芯片的结温波动大。

4 结论

本文从IGBT 并联数量的不同给并联应用带来的影响角度出发。通过实验及仿真手段，分析IGBT 模块数量在均流、损耗两个方面的不同。进一步分析对变流器系统稳定性及性能的影响。

实验及仿真结果表明，IGBT 模块的并联数量增加会导致模块均流性变差，影响变流器系统的稳定性，但在相同出力情况下系统总损耗会减少，且单个模块的结温较低且波动较小。IGBT 模块并联数量的减少会提高模块组件的均流特性，变流器系统稳定性提升，但在相同出力下系统损耗会增加，且单个模块的结温较高、波动较大，加速了模块的老化，缩短了IGBT 模块的使用寿命。

因此在制定IGBT 模块并联应用方案时，应当综合考虑模块并联数量对变流器系统的稳定性及性能的影响。