電力電子學在風力發電中的應用

　　1　不同阻斷電壓的igbt之間的效率對比

　　igbt在電力電子中使用的非常廣泛。如今，有各種電壓等級的igbt——廣泛用于工業應用的1200v和1700vigbt以及3.3kv、4.5kv和6.5kv的中壓igbt。那么哪種電壓等級最適合大功率應用呢?當上述igbt被放置在可用的最大外殼中以得到逆變器時，可找到這個問題的答案。當然，模擬在最優工作條件可得到的可用功率更簡單。

　　將上述igbt封裝在寬度為190mm的最大標準外殼ihm中，如果定義了最佳工作條件——vdc直流運行環節電壓，vac交流輸出電壓、3.6 khz的載波開關頻率并在盡可能好的冷卻條件下，如附表所示。圖1的計算結果顯示了不同igbt的可用功率。

　　結果顯示，采用3.3 kv、1200 a單模塊可獲得的最大功率約為采用1.7 kv、2400 a igbt所獲得功率的一半。

　　與相比之下，6.5 kv、600 a igbt模塊所提供的功率僅為1700 v igbt的四分之一。

　　產生如此令人驚訝的結果的原因是igbt模塊的損耗。如果計算這三個變換器的效率，可以看到損耗比為1:2：4，如圖2所示。

　　對于這個對比，使用了相同的載波開關頻率，fsw =3.6khz。這使得有機會設計濾波器相對較小的逆變器。使用不同的載波開關頻率做對比，將導致所用的輸出正弦濾波器不同。基于上述種種原因，可以看出，采用1700v igbt的應用實現了最大效率，1700 v igbt是一款具有非常合理單位模塊價格的標準工業產品。

　　附表 運行在fsw=3.6khz 、cos=0.9 且冷卻條件和模塊尺寸相同情況下的三相igbt逆變器

　　2　skiip 方案 vs. 標準igbt模塊

　　1700v igbt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開關模塊，the ihm 2400 a 1700v，將兩個這樣的模塊和一個尺寸和長度相近的雙管模塊skiip1513gb172做比較。如果兩個skiip在一個散熱器背靠背放置，則可得到一個電流是2x 1500 a = 3000 a的半橋(外殼溫度= 25 ℃時 )，或者電流為 2250 a的半橋(當外殼溫度為70 ℃時)。

　　兩個單開關模塊將提供一個2400 a的半橋，見圖3。

　　圖3　負載電流vs開關頻率

　　如果我們比較計算的結果，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范圍內提供更高的輸出電流。

　　如果采用了更強大的skiip模塊，如使用硝酸鋁作為陶瓷基板的skiip 2403gb172，可從三相逆變器獲得更多的功率，目前是1800 kva， 見圖4。

　　圖4　采用1800kva基本單元的示例

　　通過放置兩個并聯的6單元skiip603gd172模塊，600kva三相逆變器可被設計在同一外殼中，作為1800kva的一相，見圖5 。

　　圖5　采用600kva基本單元的示例

　　該單元可稱為“基本單元”，可用于不同功率的應用設計中。對于更大功率三相逆變器，三相結構作為一個基本單元。將三個單元相并聯，可得到1800kva的三相逆變器。所需的更高功率是通過將幾個基本單元相并聯實現的。