隨著碳中和成為世界各國新的共同目標，新能源快速發展成為必然，而風電在我國能源消費比重也在不斷增加。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率風電變流器設計提供了新選擇。本文將介紹大功率IGBT模塊ST20在風電應用中的優勢。

1.背景

1.1 風電大功率趨勢

風電大兆瓦時代已經來臨，尤其是海上風電。眾所周知，海上風電機組不論是施工難度還是投資額度均遠高于陸上，若規劃相同規模風場，機組單機容量的增加可以減少機組數量，從而有效降低單位投資，減少成本。在降本提效的要求下，風機單機功率增大已成為不可逆轉的趨勢，單機功率增加可以有效降低風場的度電運營成本。目前西門子歌美颯單機功率達到14MW，國內8-10MW樣機也投入運行。

1.2 國內風電變流器發展趨勢

大功率意味著大電流，為了減少系統成本，國內1140V 風機系統越來越成為主流。將風機電壓從傳統的690V提升至1140V，同等功率的風機電流降低35%，大幅提升電氣傳動系統和輸變電系統的效率，降低度電成本，使得產品具備更強的市場競爭力。

對于1140V變流器，如果采用兩電平拓撲，需要3.3kV電壓等級IGBT模塊，但是3.3kV器件的開關和導通損耗無法滿足系統的效率及開關頻率的要求，同時價格也更貴。因此，采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊組成三電平NPC或者ANPC拓撲是目前國內主流方案，目前全功率單機做到5.XMW，但是隨著變流器功率增大，采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊方案存在內管電壓尖峰、模塊并聯均流、輸出電流偏小需要系統級并聯等問題。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率風電變流器應用提供了新的設計思路。

ST20在大功率風電中應用的優勢

2.1 雜散電感小，便于疊層母排設計

采用1700V的SEMiX3p封裝半橋模塊搭建三電平NPC拓撲如圖2，因為模塊本身結構的限制，連接模塊的正負端子時無法使用疊層母排設計。當輸出電壓和輸出電流有不同的相位的時候，存在長換流回路，需要經過三個模塊，雜散電感通常在200nH左右，此時內管模塊在關斷時會產生比較高的尖峰電壓。通常需要選擇比較大的關斷電阻值，驅動兩級關斷，有源鉗位或者吸收電路來解決這一問題，避免模塊過壓損壞，但這些措施會增加功率損耗及成本。

采用ST20模塊，輸入輸出端子連接簡單，易于疊層母排設計，可以減小換流回路的雜散電感。同時，模塊內部采用疊層設計，雜散電感較低（10nH），約為SEMiX3p模塊一半。長換流回路工況下，可以減小模塊關斷尖峰電壓，甚至無需增大關斷電阻，增加吸收電路等措施，降低電路設計難度。

2.2 均流特性好，易于并聯

由于單個模塊電流的限制，大功率的風電變流器無論兩電平還是三電平需要多個模塊的并聯使用。并聯模塊是否均流，影響變流器的輸出容量。為了更好的均流效果，除了考慮驅動及控制，IGBT模塊外部結構如連接銅排等因素也需要考慮對稱均流設計，而模塊內部布局同樣會影響單個IGBT芯片的電流分布，最終影響系統輸出能力。如圖4為SEMiX3p內部布局，可以看到上下管IGBT及Diode到功率端子并非等距對稱設計。而圖5中ST20內部對稱的布局設計，有更好的內部電流平衡特性。

四個ST20并聯搭建兩電平測試平臺，盡管人為把短路線連接位置靠右，四個模塊電流均流特性依然很好，不平衡度在5%以內。正常工作時，其均流特性表現會更好。

2.3 高功率密度，滿足大功率和可靠性要求

賽米控ST20適合高功率大電流密度的要求，是目前功率密度最大的封裝，與1700V/600A的SEMiX3p相比，1700V/1200A的ST20電流密度從約6.4A/cm2提高到 8.6A/cm2。

MW級的變流器需要IGBT模塊并聯，并聯的數量取決于IGBT的電流等級。為了獲得相同的輸出功率，使用SEMiX3p需要更多數量模塊并聯，更大面積的散熱器，同時還有模塊均流問題，增加結構和驅動設計的難度及成本。同時我們知道海上風電環境更惡劣，一旦出現故障，維護成本和經濟損失更大，因此對可靠性的要求也更高。而IGBT作為變流器的核心，減少IGBT、配套驅動、連接線纜、功率組件等數量可以提高變流器的可靠性。

我們簡單對比1140V 3L拓撲，目前市場上SEMiX3p在三電平應用中最大并聯數為4個，基于此不同數量ST20和SEMiX3p并聯可能達到的輸出功率估算如圖8。因為實際應用條件可能不同，比如開關頻率，電壓電流及散熱系統等，因此圖8僅供參考。

以1140V全功率4.8MW風電為例，機側額定輸出電流2900A有效值，通常需要8個600A的SEMiX3p并聯，如前文提到，市場上目前三電平IGBT模塊最大并聯數為4個，因此當使用SEMiX3p時需要2組2.xMW系統經過均流電抗器再并聯使用；而當使用ST20時無需系統并聯，單系統使用4個模塊并聯即可，只需要一半的驅動及連接電纜，同時降低了系統并聯復雜性及成本。

根據工況，用賽米控在線仿真平臺SemiSel初步評估SKM1200GB17E4S2I4的結溫。散熱器熱阻0.002k/W，其他參數見表1。

通過仿真結果可以看出，電機側最高結溫113.02℃，網側最高結溫117.18℃，離模塊允許工作結溫還有超過30℃裕量，可進一步優化開關特性或者平衡散熱和成本。如果變流器功率達到10MW，使用賽米控ST20模塊節省的驅動、電纜、功率組件等會更多，整機可靠性也會更高。

3.參考設計

基于ST20的兩電平風電變流器Stack，雙面水冷設計，單面四個SKM1200GB17E4S2I4并聯。使用靈活，三個Stack組成的變流器輸出功率達到3MW；單個Stack雙面也可以并聯使用，增大功率。基于ANPC拓撲的三電平組件正在設計中。

4.總結

綜上所述，風電大兆瓦時代來臨，尤其是海上風電，風機單機功率增大已成為不可逆轉的趨勢。采用SEMiX3p半橋模塊組成1140V三電平NPC或者ANPC是目前國內主流方案，但是隨著變流器功率增大，這種方案存在內管電壓尖峰、模塊并聯均流及輸出電流偏小需要系統級并聯等問題。賽米控推出的低雜散電感、易于并聯、大電流、標準封裝的ST20模塊，為大功率變流器的設計提供了新選擇。使用ST20可降低系統設計的復雜性及成本，提高變流器的可靠性。因此，ST20模塊非常適合大功率風電變流器應用。

編輯：jq