一种评估分析IGBT瞬态结温的方法

西安特锐德智能充电科技有限公司储能事业部 李嘉琨 糜晓宇 胡 煜

1 问题的提出

近年来，风能变流器、光伏逆变器等新能源产品接入电网的数量增速明显。风能具有间歇性、波动性的特征，加上相当一部分地区电网能力弱，负载波动对电网正常运行影响大。该问题驱使该类并网型变流器产品需要满足电网并网导则的要求，以增加电网的健壮性、稳定性。为此，相关产品设计有相关硬/软件方案，以确保在电网发生异常时(如电压跌落、电压暂态抬升)，保持与电网连接，并在一定程度情况下配合电网完成恢复，即故障穿越过程(FRT，Fault Ride Through)。如图1所示，国网标准中低压穿越过程中的电压～时间波形。曲线之上，变流器不允许脱网，并发无功支撑电网；曲线之下变流器可以脱网，实现保护。

图1 中国电网导则低压穿越电压图形

以下以风能变流器产品为例给出分析。风能变流器多采用back-to-back四象限拓扑，网侧AC/DC、转子侧DC/AC，实现能量双向流动。电网发生的故障瞬态过程为ms级，电机的转动惯量大，响应为s级。故障过程中，电机会保持故障前的运行状态，动能会继续转化为电能通过电机定/转子耦合进入到变流器内。电压跌落瞬间，能量(功率)保持前一时刻状态，电流激增，如图2所示。某型风能变流器产品FRT过程中的定子电流波形。

图2 某型风电变流器产品FRT过程定子电流波形

上述FRT过程激增的电流使直流母线电压泵升，从而可能导致系统核心部件，如母线电容、功率模块等过压损坏。针对该问题通常设计能量泄放电路，以控制电压稳定，如直流端Choppper、交流端Crowbar等。泄放单元动作过程引入瞬态能量的同时，必然会引起自身发热等效应，故需评估其硬件能力。本文针对直流泄放单元Chopper组件中的IGBT模块阐述瞬态结温升的评估方法。

2 硬件电路设计

Chopper组件位于变流器直流端，由开关器件、泄放电阻组成，如图3。通常选用全控型开关器件IGBT，能实时控制开/关逻辑。设计原则为：有效控制母线电压，又能确保IGBT热应力不会超标而导致损坏。电阻阻值需与IGBT的能力配合选型，电阻功率需要根据电流峰值，持续时间获得。

Chopper组件IGBT的控制由母线电压来决定。若跌落深度较浅：高于预设值上限，触发IGBT开通泄放能量，母线电压降低；低于预设值下限，关闭IGBT。重复上述过程最终控制母线电压稳定。若跌落深度较深：虽然Chopper会泄放能量，但电机能量会继续灌入母线，母线继续充高；直到超过母线最高值，触发交流组件Crowbar动作将以保护系统，此时对于Chopper组件的IGBT来说出现最大电流峰值。以某风能变流器产品为例分析如下：母线电压预设值上限1150V、预设值下限1070V，母线最高值门限1350V。仿真可知，R＜1.2Ω时，可将20%跌落工况能量有效泄放，并达到控制母线电压的效果，此时初步计算IGBT需求，I＞1350V/1.2Ω=1125A；如深度更深的FRT过程需减小阻值，经仿真可知：R＜0.75Ω时，可以满足该工况，此时计算IGBT需求，I＞1350V/0.75Ω=1800A.

图3 Chopper组件示意图

由此，电阻阻值的选型输入条件转化为对Chopper组件中IGBT能力的考虑：

若阻值小，能量泄放快，母线电压降低快，但IGBT承担的瞬态电流大；

若阻值大，能量泄放慢，母线电压降低慢，但IGBT承担的瞬态电流小；

综上考虑选择Infineon公司的FF1000R17ME4型IGBT。输出特性曲线如图4所示。

图4 FF1000R17ME4型IGBT模块输出特性曲线

3 瞬态结温评估方法

IGBT热阻曲线如图5所示，是一个4阶热阻R(K/kW)、时间常数τ(s)串并联模型。对该器件施加功率，会在热阻模型上产生温升效果，对应IGBT的结温变化，即传热学中经典公式所示。

图5 FF1000R17ME4型IGBT模块瞬态热阻特性曲线

热阻模型变换为电阻、电容网络，脉冲功率峰值变换为电流冲击输入，温升可通过电压响应获得。以下使用PSIM软件对此搭建模型，如图6所示。

表1 热阻模型～电路模型类比

图6 PSIM搭建IGBT模块瞬态热阻模型

图7 FRT过程IGBT结温仿真曲线

查表可得电流峰值对应Vce，以获得脉冲功率峰值。通过仿真获得FRT过程中Chopper动作时间、动作次数。以最长动作时间、最多次数获得脉冲功率设置中的Frequency、Duty Cycle。运行模型可得结温温升变化。结合系统稳态温度值，可获得最高结温Tjmax。

4 结论

本文阐述了风能变流器响应FRT过程的相关内容与原理，分析了泄放单元组件IGBT、电阻的选型计算以及结温评估方法。基于PSIM软件搭建了IGBT热阻模型，仿真结论与实际产品验证结论能够吻合，证明了该方法可行性、正确性。该方法可以指导相关风能变流器产品的泄放单元IGBT选型、结温评估、系统热设计等关键指标。