中心議題：

• 不同阻斷電壓下IGBT效率的對比
• 並聯IGBT模塊
• 基本單元的串聯

解決方案：　

• 采用經驗證有效的半導體元件
• 使用簡單的線變壓器，得到純淨的正弦波電流
• 線路功率因數良好且總諧波失真小
• 有功和無功功率控製

　
在(zai)兆(zhao)瓦(wa)級(ji)，大(da)功(gong)率(lv)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)應(ying)用(yong)中(zhong)需(xu)要(yao)大(da)容(rong)量(liang)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)。然(ran)而(er)，對(dui)於(yu)某(mou)些(xie)應(ying)用(yong)來(lai)說(shuo)，即(ji)使(shi)是(shi)目(mu)前(qian)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)的(de)最(zui)大(da)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)容(rong)量(liang)也(ye)不(bu)夠(gou)大(da)。因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)將(jiang)它(ta)們(men)並(bing)聯(lian)。在(zai)傳(chuan)統(tong)的(de)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)電(dian)路(lu)中(zhong)將(jiang)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)並(bing)聯(lian)是(shi)非(fei)常(chang)普(pu)遍(bian)的(de)。
　　
現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、直流環節電容、驅動器和保護電路、輔助電源和PWM控製器（一個獨立單元）組裝在一個三相逆變器中。這些單元可以並聯，例如用於一台帶永磁發電機的4象限驅動風力發電機和所展示的全功率4兆瓦變換器。
　　
本(ben)文(wen)介(jie)紹(shao)一(yi)種(zhong)在(zai)中(zhong)壓(ya)範(fan)圍(wei)內(nei)得(de)到(dao)更(geng)大(da)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)功(gong)率(lv)的(de)方(fang)法(fa)。該(gai)方(fang)法(fa)使(shi)用(yong)變(bian)速(su)中(zhong)壓(ya)永(yong)磁(ci)發(fa)電(dian)機(ji)的(de)線(xian)路(lu)接(jie)口(kou)連(lian)接(jie)
，沒(mei)有(you)任(ren)何(he)電(dian)壓(ya)和(he)功(gong)率(lv)限(xian)製(zhi)，並(bing)且(qie)采(cai)用(yong)已(yi)經(jing)證(zheng)明(ming)有(you)效(xiao)的(de)半(ban)導(dao)體(ti)器(qi)件(jian)和(he)組(zu)件(jian)。將(jiang)基(ji)本(ben)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)單(dan)元(yuan)串(chuan)聯(lian)以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)電(dian)壓(ya)

，並(bing)聯(lian)以(yi)獲(huo)得(de)更(geng)高(gao)的(de)功(gong)率(lv)等(deng)級(ji)。
　　
不同阻斷電壓下IGBT效率的對比
　　
IGBT在電力電子電路中使用非常廣泛。如今有各種電壓等級的IGBT
，廣泛用於工業應用的1200V和1700VIGBT以及3.3kV、4.5kV和6.5kV的中壓IGBT。那麼哪種電壓等級最適合大功率應用呢？當上述IGBT被放置在目前可得到的最大外殼中以製造逆變器時，可以找到這個問題的答案。當然，在最優工作條件下模擬可用功率更簡單。
　　
為了做到這一點，選用了最大的標準外殼（IHM，190mm寬）。IGBT都被封裝在這個外殼中，並定義了最佳工作條件：直流運行電壓Vdc、,交流輸出電壓Vac、載波開關頻率3.6kHz以及盡可能好的冷卻條件。圖1顯示了基於給定參數而計算出的不同IGBT的可用功率。


結果顯示，采用3.3kV
、1200A獨立模塊得到的最大功率約為采用1.7kV、2400AIGBT所得功率的一半。相比之下，6.5kV、600AIGBT模塊所提供的功率僅為1.7kVIGBT的四分之一。產生這一結果的原因是IGBT模塊的損耗。如果計算圖2中三個變換器的效率，可以看到損耗比為1:2:4。
　　
對於這個對比，我們使用了相同的載波開關頻率fsw=3.6kHz。這zhe使shi得de我wo們men有you機ji會hui采cai用yong相xiang對dui較jiao小xiao的de濾lv波bo器qi設she計ji逆ni變bian器qi。使shi用yong不bu同tong的de載zai波bo開kai關guan頻pin率lv，將jiang導dao致zhi所suo用yong的de輸shu出chu正zheng弦xian濾lv波bo器qi不bu同tong。基ji於yu上shang述shu種zhong種zhong原yuan因yin，可ke以yi看kan出chu
，采cai用yong1.7kVIGBT可實現最大效率
，它是一款單位模塊價格非常合理的標準工業產品。
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不同阻斷電壓下IGBT效率的對比.
　　
運行條件是：fsw=3,6KHz
、cosφ=0.9，相同模塊和冷卻條件下三相逆變器的運行
　　
1.7kVIGBT封裝在不同的模塊外殼中。為了對比，我們可以采用最大的單管模塊IHM2.4kA
、1.7kV，將兩個這樣的模塊和一個尺寸與長度相近的雙管模塊SKiiP1513GB172做比較。如果兩個SKiiP在散熱器上背靠背放置，則可得到一個電流是2x1.5kA=3.0kA的半橋（外殼溫度=25℃時），或者電流為2.25kA的半橋（外殼溫度為70℃時）。
　　
兩個單管模塊將提供一個2.4kA的半橋。比較計算的結果可以看到
，與放置在最大外殼中的標準模塊相比，采用SKiiP的方案可在整個開關頻率範圍內提供更高的輸出電流。可用逆變器輸出功率與開關頻率的關係見圖3。


　　
如果采用了更強大的SKiiP模塊
，如使用氮化鋁作為陶瓷基板的SKiiP1.8kA,1.7kV，可從三相逆變器獲得更高的功率
，即1800kVA。

圖4配備了1800kVA基本單元的示例
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並聯IGBT模塊
　　
以下方案對於IGBT模塊的並聯運行是可行的。
　　
⑴　一台三相逆變器用於整個功率的提供
，相腳是由許多並聯的IGBT模塊和一個強大的驅動器組成。每個IGBT模塊必須有自己的柵極電阻與對稱直流環節和交流輸出連接。[1]
　　
⑵三相IGBT基本單元硬並聯。
　　
整個係統是通過一台控製器及其PWM信(xin)號(hao)控(kong)製(zhi)。所(suo)有(you)三(san)相(xiang)逆(ni)變(bian)器(qi)都(dou)連(lian)接(jie)到(dao)一(yi)個(ge)公(gong)共(gong)的(de)直(zhi)流(liu)環(huan)節(jie)電(dian)壓(ya)。對(dui)於(yu)每(mei)個(ge)獨(du)立(li)基(ji)本(ben)單(dan)元(yuan)驅(qu)動(dong)器(qi)，采(cai)用(yong)驅(qu)動(dong)器(qi)並(bing)聯(lian)板(ban)實(shi)現(xian)並(bing)聯(lian)。驅(qu)動(dong)器(qi)工(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)小(xiao)的(de)變(bian)化(hua)（小於100ns）是通過小的交流輸出扼流圈進行補償的（電感<5μH）。所有的三相逆變器同時運行
，但存在小的時延，小時延可通過額外的交流扼流圈進行補償。采用對稱布局和IGBT飽和壓降的正溫度係數來保證適當的負載電流均衡。[2]
　　
第2項所述的係統每個基本單元附帶PWM信號的附加校正。並聯基本單元的精確負載電流均衡是由附加PWM校正控製的。
　　
將幾個帶同步PWM的單元並聯運行，且用附加PWM控製消除循環電流。[3]
　　
每個基本單元都使用電氣負載隔離。各個基本單元都有自己的控製器，通過絕緣繞組給負載提供電力。PWM是獨立的
、非同步的、自由運行的信號

，且每個基本單元都有自己單獨的直流環節。在電網側，每個基本單元有自己的正弦LClvboqi。jiarushuchuyeshidianqigelide，zebutongzhiliuhuanjiejianbucunzaixunhuandianliu。zheshijiangdaiyoubiaozhundulikongzhiqidebiaozhundulijibendanyuanbinglianqilaidezuijiandandefangfa。
　　
一個基於發電機側電氣隔離的簡單設計如圖5所示。三個並聯的帶分立電機繞組的獨立4象限驅動器。該驅動器可以和一個或兩個驅動器並聯運行。



三個1500kVA4Q驅動單元連接到永磁風力發電機單獨的繞組上。每個4象xiang限xian驅qu動dong器qi都dou是shi標biao準zhun的de，擁yong有you自zi己ji的de發fa電dian機ji側ce和he電dian網wang側ce控kong製zhi器qi。第di四si個ge控kong製zhi器qi的de目mu的de是shi提ti供gong統tong一yi的de發fa電dian機ji扭niu矩ju共gong享xiang。萬wan一yi運yun行xing過guo程cheng中zhong一yi個ge4象限驅動器出現了問題，其餘驅動器的運行不會被中斷。所描述的係統已應用於3.6MW風力發電機，該風力發電機擁有一台帶有三個獨立繞組的永磁發電機。該係統為最多達12個四象限驅動器並聯而研製
，可用於連接12台發電機或12個發電機繞組。[4]

基本單元的串聯
　　風力發電機設計工程師需要將以下諸方麵考慮到他們的設計中。
　　⑴大功率風力發電機；
　　⑵低損耗；
　　⑶變速；
　　⑷高效率；
　　⑸采用經驗證有效的半導體元件


；
　　⑹使用簡單的線變壓器，得到純淨的正弦波電流；
　　⑺線路功率因數良好且總諧波失真小
；
　　⑻有功和無功功率控製；
　　⑼模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；
　　⑽可靠性高；
　　⑾最低的成本。
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可選的最佳方案：中(zhong)壓(ya)發(fa)電(dian)機(ji)。在(zai)未(wei)來(lai)的(de)大(da)功(gong)率(lv)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)設(she)計(ji)中(zhong)，中(zhong)壓(ya)發(fa)電(dian)機(ji)是(shi)必(bi)不(bu)可(ke)少(shao)的(de)。然(ran)而(er)，中(zhong)壓(ya)矽(gui)片(pian)並(bing)不(bu)適(shi)用(yong)於(yu)此(ci)類(lei)應(ying)用(yong)。因(yin)此(ci)
，正(zheng)確(que)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)將(jiang)基(ji)本(ben)單(dan)元(yuan)串(chuan)聯(lian)起(qi)來(lai)。例(li)如(ru)：一台額定輸出電壓為6.3kV的5MW風力發電機
，輸出電流為3x436Arms。整流過的變速發電機電壓為1kV～10kV的直流電壓。
　　
這樣變化的電壓如何才能連入電網？每個風力發電機需要有自己的變壓器用來與電網相連。電網的電壓應在20kV-30kV範圍，這應該是變壓器的輸出電壓。
　　
變壓器可由幾個三相繞組組成，這裏用了10個，每個為3x690V，作為輸入電壓。
　　
基於單元的中壓風力發電機
　　
新型中壓風力發電機的原理如圖6所示。



每個三相繞組附帶一個基本單元和一個600kVA的三相逆變器。第四個IGBT管腳可被連接到每個基本單元的前麵，這種排列可被稱為中壓單元。所有單元都可如圖6所示串聯起來。如果第四管腳的IGBT開關是關斷的，發電機的直流電流將對單元直流環節電壓進行充電。單元電網側三相逆變器放電
，控製自己的直流環節電壓。對於3x690V交流電壓


，直流環節電壓將為1.05kV。10個串聯的基本單元可以產生高達10×1.05kV=10.5kV的反電動勢（EMF）。

dianyarengranyuzhengliuhoudefadianjidianyabaochipingheng。ruguofadianjizhuansuxiajiang

，fadianjidianyayehuibiandi。yinci，weikongzhizhengliuhoudezhiliudianliu，yeshiweikongzhifadianjidezhuanju，budebupangludiaobufendanyuan。ruguopangludiao5個單元，剩餘的反電動勢是5×1.05kV=5.25kV。旁pang路lu掉diao更geng多duo的de單dan元yuan會hui增zeng加jia直zhi流liu電dian流liu和he發fa電dian機ji轉zhuan矩ju。被bei旁pang路lu掉diao的de單dan元yuan可ke向xiang電dian網wang提ti供gong全quan部bu的de無wu功gong功gong率lv。如ru果guo某mou個ge單dan元yuan失shi效xiao

，它ta也ye將jiang被bei旁pang路lu掉diao。單dan元yuan直zhi流liu環huan節jie電dian壓ya最zui大da值zhi是shi1.2kV，因此即使僅有9個單元串聯也可承載高達9×1.2kV=10.8kV的整流後發電機電壓。

帶中壓同步發電機的變速風力發電機
　　
帶中壓同步發電機的變速風力發電機特點如下。
　　⑴發電機直流電壓範圍從0至Vdcmax;
　　⑵每單元直流電壓1.05kV（采用1.7kV矽片）；
　　⑶Vdcmax.percell=1.2kV；
　　⑷單元數量=Vdcmax/Vcell+1

；
　　⑸單元功率：Pgenmax/單元數量
；
　　⑹係統冗餘(+1)；
　　⑺單元導通時間在0%-100%之間變化；
　　⑻關斷的單元可以產生全部的無功功率
；
　　⑼不論功率高低，效率都高；
　　⑽線路測紋波頻率=Ncell×Fswcell；
　　⑾簡單的網側變壓器。
　　
大功率應用使用多個IGBT模塊。然而，使用更多的帶獨立控製的開關要好的多。例如，用幾個並聯或串聯的單元而不是一個巨大的單個單元。
　　
優點如下：
　　⑴線路的功率因數好
、電流總諧波失真小
、開關頻率更低、更少的無源器件；
　　⑵模塊化設計，適合不同的功率和電壓且安裝快速；
　　⑶采用經驗證有效的半導體元件
；
　　⑷更高的效率；
　　⑸高可靠性

；
　　⑹極低的每kW成本。