一種評估分析IGBT瞬態(tài)結溫的方法

西安特銳德智能充電科技有限公司儲能事業(yè)部 李嘉琨 糜曉宇 胡 煜

1 問題的提出

近年來，風能變流器、光伏逆變器等新能源產(chǎn)品接入電網(wǎng)的數(shù)量增速明顯。風能具有間歇性、波動性的特征，加上相當一部分地區(qū)電網(wǎng)能力弱，負載波動對電網(wǎng)正常運行影響大。該問題驅使該類并網(wǎng)型變流器產(chǎn)品需要滿足電網(wǎng)并網(wǎng)導則的要求，以增加電網(wǎng)的健壯性、穩(wěn)定性。為此，相關產(chǎn)品設計有相關硬/軟件方案，以確保在電網(wǎng)發(fā)生異常時(如電壓跌落、電壓暫態(tài)抬升)，保持與電網(wǎng)連接，并在一定程度情況下配合電網(wǎng)完成恢復，即故障穿越過程(FRT，F(xiàn)ault Ride Through)。如圖1所示，國網(wǎng)標準中低壓穿越過程中的電壓～時間波形。曲線之上，變流器不允許脫網(wǎng)，并發(fā)無功支撐電網(wǎng)；曲線之下變流器可以脫網(wǎng)，實現(xiàn)保護。

圖1 中國電網(wǎng)導則低壓穿越電壓圖形

以下以風能變流器產(chǎn)品為例給出分析。風能變流器多采用back-to-back四象限拓撲，網(wǎng)側AC/DC、轉子側DC/AC，實現(xiàn)能量雙向流動。電網(wǎng)發(fā)生的故障瞬態(tài)過程為ms級，電機的轉動慣量大，響應為s級。故障過程中，電機會保持故障前的運行狀態(tài)，動能會繼續(xù)轉化為電能通過電機定/轉子耦合進入到變流器內。電壓跌落瞬間，能量(功率)保持前一時刻狀態(tài)，電流激增，如圖2所示。某型風能變流器產(chǎn)品FRT過程中的定子電流波形。

圖2 某型風電變流器產(chǎn)品FRT過程定子電流波形

上述FRT過程激增的電流使直流母線電壓泵升，從而可能導致系統(tǒng)核心部件，如母線電容、功率模塊等過壓損壞。針對該問題通常設計能量泄放電路，以控制電壓穩(wěn)定，如直流端Choppper、交流端Crowbar等。泄放單元動作過程引入瞬態(tài)能量的同時，必然會引起自身發(fā)熱等效應，故需評估其硬件能力。本文針對直流泄放單元Chopper組件中的IGBT模塊闡述瞬態(tài)結溫升的評估方法。

2 硬件電路設計

Chopper組件位于變流器直流端，由開關器件、泄放電阻組成，如圖3。通常選用全控型開關器件IGBT，能實時控制開/關邏輯。設計原則為：有效控制母線電壓，又能確保IGBT熱應力不會超標而導致?lián)p壞。電阻阻值需與IGBT的能力配合選型，電阻功率需要根據(jù)電流峰值，持續(xù)時間獲得。

Chopper組件IGBT的控制由母線電壓來決定。若跌落深度較淺：高于預設值上限，觸發(fā)IGBT開通泄放能量，母線電壓降低；低于預設值下限，關閉IGBT。重復上述過程最終控制母線電壓穩(wěn)定。若跌落深度較深：雖然Chopper會泄放能量，但電機能量會繼續(xù)灌入母線，母線繼續(xù)充高；直到超過母線最高值，觸發(fā)交流組件Crowbar動作將以保護系統(tǒng)，此時對于Chopper組件的IGBT來說出現(xiàn)最大電流峰值。以某風能變流器產(chǎn)品為例分析如下：母線電壓預設值上限1150V、預設值下限1070V，母線最高值門限1350V。仿真可知，R＜1.2Ω時，可將20%跌落工況能量有效泄放，并達到控制母線電壓的效果，此時初步計算IGBT需求，I＞1350V/1.2Ω=1125A；如深度更深的FRT過程需減小阻值，經(jīng)仿真可知：R＜0.75Ω時，可以滿足該工況，此時計算IGBT需求，I＞1350V/0.75Ω=1800A.

圖3 Chopper組件示意圖

由此，電阻阻值的選型輸入條件轉化為對Chopper組件中IGBT能力的考慮：

若阻值小，能量泄放快，母線電壓降低快，但IGBT承擔的瞬態(tài)電流大；

若阻值大，能量泄放慢，母線電壓降低慢，但IGBT承擔的瞬態(tài)電流?。?/p>

綜上考慮選擇Infineon公司的FF1000R17ME4型IGBT。輸出特性曲線如圖4所示。

圖4 FF1000R17ME4型IGBT模塊輸出特性曲線

3 瞬態(tài)結溫評估方法

IGBT熱阻曲線如圖5所示，是一個4階熱阻R(K/kW)、時間常數(shù)τ(s)串并聯(lián)模型。對該器件施加功率，會在熱阻模型上產(chǎn)生溫升效果，對應IGBT的結溫變化，即傳熱學中經(jīng)典公式所示。

圖5 FF1000R17ME4型IGBT模塊瞬態(tài)熱阻特性曲線

熱阻模型變換為電阻、電容網(wǎng)絡，脈沖功率峰值變換為電流沖擊輸入，溫升可通過電壓響應獲得。以下使用PSIM軟件對此搭建模型，如圖6所示。

表1 熱阻模型～電路模型類比

圖6 PSIM搭建IGBT模塊瞬態(tài)熱阻模型

圖7 FRT過程IGBT結溫仿真曲線

查表可得電流峰值對應Vce，以獲得脈沖功率峰值。通過仿真獲得FRT過程中Chopper動作時間、動作次數(shù)。以最長動作時間、最多次數(shù)獲得脈沖功率設置中的Frequency、Duty Cycle。運行模型可得結溫溫升變化。結合系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)溫度值，可獲得最高結溫Tjmax。

4 結論

本文闡述了風能變流器響應FRT過程的相關內容與原理，分析了泄放單元組件IGBT、電阻的選型計算以及結溫評估方法?；赑SIM軟件搭建了IGBT熱阻模型，仿真結論與實際產(chǎn)品驗證結論能夠吻合，證明了該方法可行性、正確性。該方法可以指導相關風能變流器產(chǎn)品的泄放單元IGBT選型、結溫評估、系統(tǒng)熱設計等關鍵指標。