风电变流器中IGBT的结温及寿命计算方法

2019-10-07 21:46:26 Westpac Electronics
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IGBT模块结温数值计算方法的验证
  IPOSIM是Infineon公司官方提供的IGBT模块电热在线仿真软件,其结温评估结果经实验检测结果验证具有较高精度,因此文中以IPOSIM电热仿真结温数据为基准,验证功率器件结温数值计算方法的准确性。图1和图2分别是不同风速条件下,网侧IGBT和二极管在一个基频周期内的结温最大值和最小值。
 
  从图1和图2中可以看出,利用结温数值计算方法评估的结温曲线与IPOSIM的评估结果几乎重合,因此结温数值计算精度较高。从计算时间上比较,结温数值计算方法获取图1和图2中数据只需约30ms,而IPOSIM需约20min。若考虑一年的风速和气温,采用IPOSIM需要一年多才能计算出所有工况下的器件结温,结温数值计算只需20min左右。因此,结温数值计算方法可以快速准确计算出功率器件的结温。结温数值计算方法为文中提出的考虑变流器多时间尺度任务剖面的IGBT模块可靠性评估提供了可能。

风速Vwind与IGBT结温之间的关系 
图1 风速Vwind与IGBT结温之间的关系
风速Vwind与diode结温之间的关系 
图2 风速Vwind与diode结温之间的关系

 
  2. 多时间尺度任务剖面下器件寿命计算
  基于IGBT模块多时间尺度寿命评估方法,以爱尔兰都柏林一年内风速和气温为基础,分别评估机侧和网侧IGBT模块因低频结温波动和基频结温波动消耗的寿命,如表1所示。为了验证器件寿命评估结果的有效性,文中将IGBT模块寿命评估结果与其它文献评估结果进行比较,证明文中数据的有效性。

表1 IGBT模块的年寿命消耗
IGBT模块的年寿命消耗 

 
  从表1中可以看出,机侧IGBT模块的寿命为2.8年,而网侧IGBT模块的寿命为13.26年,机侧变流器中IGBT模块寿命较低。网侧IGBT模块和机侧IGBT模块均存在因低频结温波动而导致的寿命消耗,两者的寿命消耗主要区别在于因基频结温波动而导致的寿命消耗。这主要与IGBT和二极管基频结温的波动幅度有关。基频结温波动的幅度受变流器的输出频率影响,当变流器输出频率较低时,基频结温波动幅度较大。风机系统的机侧额定频率为20Hz,机侧IGBT基频结温波动将近30℃,而网侧变流器输出频率为50Hz,基频结温波动在10℃左右,使得两者因基频结温波动而导致的寿命消耗存在较大差距。直驱风机系统中,机侧变流器的最大输出频率为16Hz,与网侧变流器50Hz相比,频率更低,因此机侧IGBT模块和网侧IGBT模块的基频结温波动差距较为明显,则机侧IGBT模块的寿命消耗较大。
 
  风电变流器中IGBT模块的寿命消耗与风速和气温等复杂环境有关,文中所提出的IGBT模块多时间尺度寿命评估方法,可分别评估不同时间尺度任务剖面对器件寿命的影响。因此可通过分析器件寿命消耗的分布特点,针对每一种任务剖面所导致的器件寿命消耗而研究对应的功率器件寿命改善措施。图13和图14分别是风速频率分布、机侧和网侧IGBT模块因基频结温而消耗寿命的分布曲线。
 
  从图13和图14中可以看出,风速概率分布和器件寿命消耗的分布是严重不对等的,风速主要集中在低风速区域,而器件寿命主要消耗在高风速区域。机侧和网侧IGBT模块在变流器临近额定功率输出时(设定风速为vg),因基频结温波动而消耗的寿命较高。文中还定量统计了大于vg的风速区间、其风速的概率及在这一风速区间内器件所消耗的寿命在总的基频寿命消耗中所占的比例,其中风速频率为5.812%,而机侧和网侧IGBT模块的寿命消耗占比分别为75.7%和91.02%。为了降低IGBT模块因基频结温波动而消耗的寿命,可以在大于拐点风速vg的高风速区域时,通过针对性措施(例如改变开关频率和调制方式等)降低器件损耗和结温波动,可大幅降低因基频结温波动而消耗的寿命,并且只需改变风电变流器全年5.812%的运行状态。

机侧IGBT模块寿命消耗分布和风速分布 
图3 机侧IGBT模块寿命消耗分布和风速分布
网侧IGBT模块寿命消耗分布和风速分布 
图4 网侧IGBT模块寿命消耗分布和风速分布

 
  从表1中又可以看出,网侧IGBT模块和机侧IGBT模块因低频结温波动而消耗的器件寿命也较大。这主要是因为器件低频结温与风速有关,风速随机波动,使得器件出现大幅低频波动,将导致器件寿命的消耗(如图5)。由图5可知,低频结温波动分布较广,且器件消耗主要是因为大幅的结温波动而引起,所以降低这种大幅的低频结温波动,可实现降低器件寿命消耗。

机侧IGBT模块低频结温波动ΔTj及最大结温Tjmax与低频寿命消耗的关系 
图5 机侧IGBT模块低频结温波动ΔTj及最大结温Tjmax与低频寿命消耗的关系

 
  针对低频结温波动,可以基于温度反馈,通过改变变流器运行参数和外部散热等措施调节器件热循环,平滑因风速波动而引起的结温波动。然而这些方法需实时温度反馈,调节时间周期长。若用于平滑风电变流器,长时间结温波动时,缺乏具体的平滑目标,难以从整体上有针对性的降低器件的寿命消耗。但是可以基于功率器件消耗的分布特点,讨论一种结温平滑控制思路,图6为风机系统的全风速运行区域。

功率器件结温的多区间平滑策略 
图6 功率器件结温的多区间平滑策略

 
  IGBT低频结温波动与风速分布有关,可以对风机系统运行区域进行区间划分,分区间平滑IGBT因风速波动而导致的低频结温如图6中I、II和III区间。第III区间主要用于降低因基频结温波动而导致的器件寿命消耗,而第I和II区间主要用于降低因低频结温波动而导致的器件寿命消耗。以IGBT平均结温Tjm为控制变量,以Tjm_max和Tjm_min为器件结温的控制目标。由于器件寿命消耗与风速概率分布有关,因此图6中区间划分可通过分析实际风电场中风速概率和功率器件寿命消耗的分布特点来确定,最终通过动态改变开关频率和调制方式等措施,降低大幅低频结温波动,进而降低器件寿命消耗。然而根据IGBT模块多时间尺度下寿命消耗的分布特点,研究用于提高功率器件寿命的优化方法还需深入分析与验证。


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