直面風力發(fā)電設計挑戰(zhàn)

IXYS則偏好整流二極管。Bradley Green說：“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用選擇不同類的二極管。不過，風機有二個簡單的要求：最高的可靠性和大功率處理能力。在5-6MW功率級別上，這些基本要求使得你只能選擇陶瓷封裝二極管?！?

最近，IXYS專門針對像風力發(fā)電這樣的高電壓應用開發(fā)出了額定工作電壓高達3400V的整流器模塊MDD75-34N1，它含有兩個二極管，每個二極管在外殼溫度為100℃時的平均額定電流為175A。它通常應用在風力發(fā)電系統(tǒng)前端的整流級。

“對于2500V以上的高效率大功率整流應用而言，這一新系列產(chǎn)品代表著一個巨大的技術突破，”Bradley Green表示，“我們的大多數(shù)競爭對手現(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一步凸顯了IXYS在雙極高電壓大功率領域長期以來的市場領導地位。”

逆變器要求可靠性更高IGBT

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

由于風電系統(tǒng)的需求把功率逆流器輸出功率提到了一個新高度，這就需要新的功率半導體技術和模塊封裝技術來降低逆變器損耗，提高效率和實現(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：“在許多風電應用場合，普通塑封IGBT模塊的可靠性和效率已經(jīng)無法滿足系統(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：“在許多風電應用場合，必須采用陶瓷壓接式IGBT?！?

他說：“我們的SPT+ Press-Pack IGBT產(chǎn)品是5.5-6MW功率級別風力發(fā)電機設計的基礎。由于昂貴的安裝成本緣故，這一功率級別要求極高的可靠性。盡管競爭對手在這一功率級別也能提供替代技術解決方案，但我們不相信它們的產(chǎn)品能夠在系統(tǒng)級質量和可靠性上滿足這一級別風力發(fā)電機的要求。”

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

“隨著Press-Pack IGBT進入成熟的大規(guī)模生產(chǎn)階段，”IXYS公司國際銷售副總裁Bradley Green說，“將SPT+技術集成進Press-Pack IGBT就是合乎邏輯的下一步驟，因為這可以進一步提升效率和產(chǎn)品系列的堅固性。隨著大功率應用(如風力發(fā)電機)對高功率密度和最高級別可靠性的要求越來越高，Westcode已經(jīng)看到市場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系列的一個例子，它是一個2.4kA、4.5kV的Press-Pack IGBT，采用外部直徑為168毫米的陶瓷封裝。Westcode還提供將一個內.部二極管與IGBT做在一個封裝內的產(chǎn)品。

Press-Pack IGBT完全沒有模塊化設計所固有的可靠性缺點，如引線邦定或luo片焊接工藝，它在大功率應用中的可靠性已經(jīng)被證明是業(yè)內最佳的。Westcode還提供一個互補性的大功率SONIC二極管系列，它的速度和軟開關能力可理想地匹配IGBT，他們組合起來可提供一個針對大功率應用的有吸引力的解決方案。

Bradley Green說：“在風機內，大功率SONIC二極管(快速恢復超軟)主要設計用作與陶瓷封裝IGBT配對的續(xù)流二極管?！?

英飛凌目前除了為風電市場提供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、驅動保護、濾波電容、直流總線、散熱器等，客戶只要設計控制板就可以完成一個完整逆變器的開發(fā)工作。陳子穎說：“我們已成功地把這一產(chǎn)品引進到中.國，使國內風電廠商自主逆變器的開發(fā)速度大大提高，從而幫助他們解決了風電供應鏈上最大的瓶頸問題。未來我們會致力于加強IGBT模塊在風電市場中的推廣和技術支持工作，幫助國內變流器廠商開發(fā)出基于IGBT模塊的高可靠性、低成本產(chǎn)品?！?

但對于超大功率風機，我們一般需要使用晶閘管來作為逆變器的功率元件，因為工作在非常大功率的風電機通常含有很多儲存的電能。不管它們是儲存在電容庫還是馬達/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)帶來了一個很大的技術難題。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量。對于一些主要設計目標不是效率而是魯棒性和長壽命的風電機來說，晶閘管可能是最好的技術選擇。

上述儲存在電容庫和繞組中的電能在緊急情況下必須放掉。這些放電應用會在電路中的任一電能存儲位置上形成一個受控短路。在這些應用中一般不采用IGBT，因為IGBT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)電速度旋轉的“軟啟動”應用中仍受青睞。

并網(wǎng)同步晶閘管選擇

不少風電系統(tǒng)還在使用晶閘管實現(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關晶閘管。

Bradley Green表示：“晶閘管的設計簡單地對應工作的頻率。今天，快速開關晶閘管主要用于5-10KHz應用，針對50到100Hz應用的相位控制晶閘管具有更好的電流浪涌額度，這常常比更高的開關速度更吸引人?！?

Westcode目前已針對大功率風電應用開發(fā)出新的6500V相位控制晶閘管。針對低正向傳導損耗進行優(yōu)化設計的該新器件，具有1695A的標稱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先進無合金工藝。

當與相同電壓級別的類似器件比較時，為得到非常低的導通態(tài)電壓而優(yōu)化設計的該相位控制晶閘管在1000A電流流過時的正向壓降只有2V。

防雷元件選擇

安裝在野外的風力發(fā)電系統(tǒng)必須安裝防雷系統(tǒng)。雷擊會產(chǎn)生瞬間的過電壓，即在微秒至毫秒內會產(chǎn)生高達 6KV伏的尖峰沖擊電壓。當雷擊發(fā)生時，強大的電流會通過各種途徑間接或直接地侵入機房設備使其損壞。據(jù)測定雷電電流可達20萬安培，既使是造成直接危害的二次感應電流也達l萬安培。因此風力發(fā)電系統(tǒng)必須采用合適的防過壓和過流元件來抵抗雷電的沖擊。

風力發(fā)電系統(tǒng)需要進行不同等級防雷保護的基本組件有：風力渦輪機、逆變器、控制風力渦輪機葉片間距和方位的電機、以及用于監(jiān)測和控制的低電壓電路板。

Littelfuse公司業(yè)務和技術開發(fā)經(jīng)理Jim Colby指出：“風力渦輪機遭受雷擊的風險很高，因此需要可靠的防雷保護。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)來達到保護目的。這些MOV可以制造成34毫米或更大的盤，從而可以耗散大量浪涌能量。”

理論上，可以采用兩類過壓保護元件(即鉗位元件和開關元件)為風電應用提供過壓保護。鉗位元件有MOV和TVS二極管，它們可在工作時允許小于規(guī)定鉗位水平的電壓通過負載。開關元件主要有氣體放電管(GDT)和晶閘管浪涌電壓抑制器，它們對超過突破電壓的浪涌所作出的反應與分流元件相同。

開關元件相對于鉗位元件的優(yōu)勢是，在動作狀態(tài)下，當它把有害浪涌電流導出負載時，出現(xiàn)在負載上的電壓極?。欢Q位元件仍保持鉗位電壓。因此，開關元件中耗散的功率遠遠低于鉗位元件。因此，Tyco電子認為，第一級防雷元件最好選擇GDT，第二級防雷元件最好選擇晶閘管浪涌電壓抑制器。過流保護最好采用可復位的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)傳導的雷擊危險之下。Jim表示，它的雷擊防護可采用中等級別的MOV，它們可以是14mm或20mm的盤。

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