- 頭條準確計算風電變流器IGBT模塊動態結溫的方法2021-03-04 作者：李輝 胡玉 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、重慶科凱前衛風電設備有限責任公司的研究人員李輝、胡玉、王坤、全瑞坤、夏桂森，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文，針對絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）模塊內部并聯芯片間動態不均流導致損耗分布存在差異，傳統結溫計算方法無法準確反映模塊內部熱分布的問題，提出考慮模塊內部封裝雜散電感影響的IGBT功率模塊動態結溫計算方法。研究結果表明，所提模型可準確反映模塊內部各芯片結溫均值及波動幅值的差異性。
風電變流器作為風能轉換系統樞紐，是影響風電機組穩定可靠運行的重要環節。然而機組長時間、大范圍頻繁的隨機出力，致使變流器持續承受劇烈的熱應力沖擊，成為故障率最高的部件之一。
為了滿足風電機組大容量變流器功率模塊的應用需求，目前普遍采用多芯片并聯來提高功率等級，并聯芯片間電流分布不均導致模塊內部溫度分布存在差異，長時間尺度下薄弱環節凸顯，縮短模塊整體使用壽命。因此，準確分析和掌握功率模塊內部熱應力分布，對改進風電變流器熱管理控制策略、優化封裝散熱設計、提高可靠性具有重要意義。
目前國內外學者對單芯片和多芯片IGBT模塊穩態結溫評估及其熱分布已有較多研究。
- 有學者從封裝材料和結構對不同部位溫度和熱應力分布的影響進行研究。
- 有學者基于芯片獨立傳熱的假設提出了考慮電熱耦合的結溫迭代計算方法。
- 有學者考慮芯片間熱耦合的影響，表明計算模塊內部結溫時非邊緣位置芯片應重點考慮。
- 有學者從芯片數量對模塊內部溫度分布影響進行了研究與優化。
然而上述文獻都是基于穩態電流均勻分布假設，并未考慮雜散參數差異對動態電流分布的影響，基于模塊平均損耗分布的計算結果無法準確反映內部溫度分布，難以表征變流器功率模塊內部的薄弱環節。IGBT開關頻率較高，模塊內部雜散電感對并聯芯片間電流分布的影響不容忽視。
有學者通過電磁域仿真發現了六芯片并聯的功率模塊電流分布存在不均流的現象。有學者研究表明雜散電感是導致并聯芯片不均流的主要原因，但未考慮其對模塊內部熱分布的影響。因此有必要進一步分析雜散電感對功率模塊內部動態熱分布的影響規律。
輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）、重慶科凱前衛風電設備有限責任公司的研究人員李輝、胡玉、王坤、全瑞坤、夏桂森，在2019年第20期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“考慮雜散電感影響的風電變流器IGBT功率模塊動態結溫計算及熱分布”），首先針對某一雙饋風電變流器采用功率半橋模塊物理結構，建立考慮模塊內部封裝雜散電感的等效電路模型，驗證了功率模塊內部電流分布不均的機理。
圖1 雙饋風電變流器及其IGBT模塊內部結構
圖9 考慮雜散電感的功率模塊內部動態結溫計算模型
其次，理論推導雜散電感分布參數與開通損耗的定量關系，建立考慮模塊內部芯片間熱耦合的熱網絡模型，基于電熱耦合理論提出了考慮雜散參數影響的IGBT模塊內部動態結溫計算方法并通過實驗驗證。
圖10 雙脈沖實驗測試平臺
圖11 風電變流器及其控制實驗平臺
圖12 機側變流器實驗平臺電氣結構
最后，以某1.5MW雙饋風電機組為例，分析了實際運行工況下變流器IGBT功率模塊內部熱分布規律，并與傳統結溫計算模型進行比較。結論如下：
1）由于二極管的續流作用，上橋臂開通時并聯芯片均流效果較好；而下橋臂并聯芯片受雜散電感影響較大，各芯片電流分布存在較大差異，其中芯片Q6電流變化率最大且承受最大的電流過沖。
2）基于電流變化率與損耗的關系，提出考慮封裝雜散電感影響的功率模塊內部動態結溫計算方法，通過風電變流器實驗平臺測得殼溫分布結果與計算結果一致，驗證了所提計算方法的有效性。
3）雙饋風電機組機側變流器功率模塊內部下橋臂各芯片間溫度分布差異明顯，芯片Q6結溫均值、波動幅值均最大，相比其他芯片高出5℃左右，是模塊內部的熱薄弱環節；而傳統穩態平均結溫計算模型計算結果偏低。
4）并聯各芯片間結溫均值差異隨著風速的增加逐漸增大；而結溫波動幅值差異在同步風速點附近達到最大，差值約為10℃。
