一種評估分析IGBT瞬態結溫的方法

西安特銳德智能充電科技有限公司儲能事業部 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品接入電網的數量增速明顯。風能具有間歇性、波動性的特征，加上相當一部分地區電網能力弱，負載波動對電網正常運行影響大。該問題驅使該類并網型變流器產品需要滿足電網并網導則的要求，以增加電網的健壯性、穩定性。為此，相關產品設計有相關硬/軟件方案，以確保在電網發生異常時(如電壓跌落、電壓暫態抬升)，保持與電網連接，并在一定程度情況下配合電網完成恢復，即故障穿越過程(FRT，Fault Ride Through)。如圖1所示，國網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，并發無功支撐電網；曲線之下變流器可以脫網，實現保護。

圖1 中國電網導則低壓穿越電壓圖形

以下以風能變流器產品為例給出分析。風能變流器多采用back-to-back四象限拓撲，網側AC/DC、轉子側DC/AC，實現能量雙向流動。電網發生的故障瞬態過程為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，動能會繼續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，電流激增，如圖2所示。某型風能變流器產品FRT過程中的定子電流波形。

圖2 某型風電變流器產品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，以控制電壓穩定，如直流端Choppper、交流端Crowbar等。泄放單元動作過程引入瞬態能量的同時，必然會引起自身發熱等效應，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損壞。電阻阻值需與IGBT的能力配合選型，電阻功率需要根據電流峰值，持續時間獲得。

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定。若跌落深度較深：雖然Chopper會泄放能量，但電機能量會繼續灌入母線，母線繼續充高；直到超過母線最高值，觸發交流組件Crowbar動作將以保護系統，此時對于Chopper組件的IGBT來說出現最大電流峰值。以某風能變流器產品為例分析如下：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承擔的瞬態電流小；

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τ(s)串并聯模型。對該器件施加功率，會在熱阻模型上產生溫升效果，對應IGBT的結溫變化，即傳熱學中經典公式所示。

圖5 FF1000R17ME4型IGBT模塊瞬態熱阻特性曲線

熱阻模型變換為電阻、電容網絡，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。以最長動作時間、最多次數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。結合系統穩態溫度值，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。基于PSIM軟件搭建了IGBT熱阻模型，仿真結論與實際產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品的泄放單元IGBT選型、結溫評估、系統熱設計等關鍵指標。