可靠性更高的风电机组逆变器技术

半导体

日益增长的可再生能源发电技术需要大量的功率半导体器件, 其中风能是最具成本效益的可再生能源发电方式之一。变流器是其中的重要组件,且确保实现并网发电。高可靠性的功率半导体可以满足这种应用的要求，并构成逆变器的核心。

本文介绍了采用双馈异步风力发电的系统通用拓扑和变流器系统的工作模式，重点讨论功率半导体的使用寿命和可靠性方面。

采用双馈异步发电机的风电机组

双馈异步（感应）发电机（DFIG）常常应用于风电机组。DFIG结合变流器实现了调速，其转子采用鼠笼式绕组，而同步电机转子则采用通过滑环可以连接三相绕组。变流器用于提供励磁电流和可控相角的旋转磁场。转子磁场的转速设定由定子同步旋转磁场速度与转子速度的差来决定。因此，DFIG可在欠同步或超同步模式下操作（图1）。

图1：DFIG逆变器概念
同步运行工作点意味着转子速度等于定子旋转磁场速度，因此，转子电压接近零。这个点通常选择在风电机组的中部，目的是优化效率。通过控制转子电流的幅度和相角，使得提供一个真正的无功功率组件成为可能。通常情况下，通过磁场矢量控制可做到这一点。为此，转子电流按照笛卡儿坐标系统进行转换，随后再转换成复杂数值范围。该复杂数值范围与感应电机的等效电路结合应用，可将电流分解为转距部分和励磁部分。此外，现代风电机组还具备一个螺距控制系统。如图2所示，风速高于风电机组标称风速1到2 m/s，可通过转子叶片螺距控制实现补偿。这是风力发电机主要的气动功率控制系统，目的是防止发电机受损。

图2：定子与转子功率的典型特性，取决于风速（标称风速为11m/s的1.5兆瓦风电机组）
变流器

图1显示了变流器由网侧逆变器（NSR）、机侧逆变器（MSR）和直流母线构成。由于电流必须流经定子和转子部分，因此要选用可控整流桥。这两个逆变器都采用具备现代IGBT模块的B6桥拓扑。（（图3））

图3：EconoDUAL™ 3和PrimePACK™ IGBT半桥模块

半导体/逆变器的负载变化要求

由于风速变化很大，因此NSR 和MSR的负载和相关要求存在很大差别。这导致负载电流出现变化，从而使两个逆变器的半导体负载变化出现不同。对于同步运行点而言，MSR电流输出频率接近零。这意味着逆变器的一个桥臂必须传导整个负载电流，而另外两路转换器则各自传导一半的电流。因此，不会再出现损耗均匀分布于6个逆变器IGBT的情况。这种情况可能会持续一段不确定的时间，因此在设计逆变器时需要考虑这一点。NSR电流的基本频率在50Hz至60Hz之间，而MSR的基本频率为0Hz至20Hz。图4介绍了某个工作点具备相同RMS电流的NSR和MSR的结温特性。（（图 4））

图4：NSR和MSR的结温特性

这表明NSR的IGBT结温持续出现约2K至3K的温度波动，MSR的IGBT结温持续出现约22K的温度波动。由于IGBT模块已应用于牵引变流器中，因此，我们清楚地知道IGBT模块功率循环周次能力是有限的。值得注意的是，IGBT模块主要有两个失效机制，下文将对此进行说明。

通常情况下，逆变器的结温可采用热模型计算。对于远远超过0 Hz的正弦波形输出电流而言，结温可采用近似值，其中芯片结温特性符合脉冲电流特性。一旦输出电流接近零，这将不再适用，结温接近电流特性。

由功率循环导致的失效机制
上述短短数秒的功率循环，导致了键合线的温度不断变化：硅和铝的热膨胀系数不同，导致材料出现微小位移。这可能会使芯片表面的连接点和键合线出现小裂缝，最严重的会出现所谓的“键合线剥离”。图5显示了这一过程。

图5：键合线剥离

根据结温的波动幅度、负载电流占空比、键合线尺寸、负载电流大小和芯片尺寸，可得到一定数量的功率循环。利用Coffin Manson定律可得出负载变化能力的数学近似值。

图6显示了英飞凌在不同结温波动条件下的功率循环曲线。该曲线适用于1200V和1700V IGBT模块的最新沟槽栅场截止技术IGBT4。该芯片技术允许用户将最大工作结温提高到150°C（Tvjop = 150°C）。相对于传统的半导体（Tvjop = 125°C），用户现在可获得更大的电流，或者在相同电流条件下，使功率循环能力达到之前的4倍。

图6：IGBT4模组功率循环曲线

根据DFIG的要求，为了在短短几秒之内获得负载循环能力，半导体的表面需覆盖一层金属。这使得键合参数得以全面优化，同时不会损坏晶体结构（图7）

图7：IGBT模块构造

由热循环导致的失效机制
由于模块各层是由不同材料构成的，因此，几分钟的负载循环会造成严重损坏。图7显示了IGBT模块的典型构造。由于存在这些负载变化，IGBT模块在变热过程中，不同材料交界处会出现温差。模块各层采用铜、陶瓷、硅和铝等热膨胀系数不同的材料。

循环周期为几分钟的连续不断的负载变化，导致铜底板与基板之间的焊接层发生老化。这会导致焊接层脱层以及芯片与模块外壳之间的热阻Rthjc增大。如果出现过热，该组件将失效。

图8的框表示芯片的安装位置。显然底板焊膏的减少直接导致芯片下方的热阻增大。PrimePACK™ IGBT模块中的半导体安置方式可确保底板焊膏（图8右侧框）的脱层在多个负载循环下，不会直接影响芯片下方的热阻。在传统模块中，偶尔会出现明显的焊料层和功率端子连接情况。在面向风电机组的IGBT4模块中，这些端子通过采用超声波焊接技术，与覆铜的陶瓷层连接在一起。

图8：在温度波幅（∆Tc）为80K和完成5,000个循环的条件下，陶瓷衬底与基板之间的焊层脱落情况的超声扫描，左图为传统的IGBT模块，右图为英飞凌的最新PrimePack™。

如图9所示，焊接的功率端子与DCB铜层之间不存在分界线。

图9：左图为采用超声焊接的负载端子；右图为负载端子与陶瓷绝缘子连接的截面图

上述键合连接、衬底和功率端子连接技术的改进，大幅提高了IGBT在风电机组中应用的可靠性。

为了估计出这些模块在风电机组中的使用寿命，需要确定风速与其相关的负载电流变化及频率之间的关系。有多种方法可供选择。在此，我们简要地介绍“雨滴法”。

为此，我们需要测量模块基板不同操作点的温度。根据测量值和堆栈及模块参数，利用已知的功耗计算结温。公式1通过将实际功率的瞬时值（p(t)）乘以结与壳之间的热阻，再加上壳温瞬时值，得出结温瞬时值（Tj (t)）。

Tj (t) = p(t)* Rthjc +Tc (t)                   (1)

采用英飞凌的微处理器C166®，可计算和保存温度随时间的变化情况。
要想预测负载变化后温度的上升幅度，需要检查保存的温度值及其相互之间的差值。曲线复制的精确性取决于扫描频率。将温度升高值乘以温度变化频率，使用功率循环图表，即可确定其使用寿命。（（图10））

图10：左图为芯片的温度梯度；右图为芯片温度梯度的局部最大值与最小值的连线

采用“雨滴法”，可以分析温度上升情况，确定对应的功率循环。根据图10（右侧）确定的温度时间梯度为90°。假想雨滴沿这条线向下流，第一滴将会从一个最大值流到一个更高的最大值。参见图11。

图11：利用“雨滴”计数法确定温度的升高幅度

1 流过同一最大值
2 流过一个更高的最小值
3 流过一个更高的最大值
4 与雨滴 2汇聚
5与雨滴1汇聚
6 滴落
7滴落
8 与雨滴6汇聚

这样就可以确定温度升高值（ΔTj），然后根据所述方法计算出使用寿命。

电气间隙与爬电距离要求
如果风电机组安装在靠近海岸的地方，尤其是海上以及空气中湿度或盐分很大的环境中，功率半导体和直流母线连接部分常常会发生拉弧现象。根据开关柜的保护等级，工业应用中采用的电气间隙和爬电距离无法满足这种应用的需求。根据DIN EN 60529要求，提高保护等级会大幅提高系统成本。Cti值大于400的PrimePACK™ 系列IGBT模块能够满足3.3kV阻断电压要求的外壳电气间隙和爬电距离，为行业树立了新标杆，成为确保风电机组的变流器长期无故障运行的安全解决方案。图3中右侧显示的即是PrimePACK™ 。

（作者简介）
Michael Sleven是位于德国的英飞凌科技股份公司工业与多元化电子市场部IGBT模块技术营销经理
电话： +49 2902 764-2208
电子邮件： info.power@infineon.com

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