Power Stacks Simplify Marine Electric Power System Construction

By SEMIKRON

和许多其他领域一样，海洋应用必须应对环境法规的要求。电力电子是优化能源管理的一项关键技术，为电动机、发电机、电池存储和岸电电源的运行提供了所有的转换方式。复杂的电力电子系统往往是AC / DC、DC / AC、DC / DC、AC / AC转换单元之间的互连。虽然这在系统一级给出了很好的概览，但它隐藏了很多变流器设计人员必须处理的技术问题。如今，变流器的设计仍然由专家来完成。尽管如此，功率组件（基本电力电子功能）的出现是朝着系统结构方向迈出的一步。在海洋应用中出现复杂的电气架构将提升对高可靠性和易维护性的电源变流器的需求。

从器件到变流器

构建一个大功率变流器一直都是在可用的功率半导体开关、变流器拓扑结构和系统需求之间寻求折衷。经常有不同的技术解决方案可以实现目标，特别是处理大功率变流器的时候。

功率半导体制造商都在寻找具有高电压、大电流并且损耗低的完美开关。这项寻找任务由半导体材料和工艺的改进（硅基可控硅、GTO、Mosfet、IGBT、IGCT）来引领，但也可以通过采用多个组件或开关的变流器拓扑结构来实现。变流器中功率器件的实施变得更加复杂，因为系统对于寿命、可靠性、EMI和成本的要求越来越严格。如今，新材料的出现，如碳化硅，将肯定会改变变流器和电源系统的设计方式。然而电力电子技术的基础仍将会保留，而且还会发现一个新的权衡。

如今，IGBT已在工业应用中很好地立足。600V到6500V的产品涵盖低压和中压应用。1200V等级的产品在工业电机驱动器领域取得成功后，风电市场又将其推向了1700V等级，在耐用性方面提高了芯片的性能并减少损耗。

功率组件

变流器的基本结构是半桥。它可以是一个功率模块（晶体管和二极管）或者是一个包含驱动器、传感器和集成在单个器件中的保护功能的IPM。来自赛米控的IPM，SKiiP，还包括自己的冷却系统（图1）。完整的功率器件被设计和优化成可实现高级别的循环能力（意味着使用寿命更长）和出色的可靠性。集成驱动器所集成的传感器给予贴身的保护，在系统级增加了可靠性。原边与副边之间设计了绝缘，经测试，绝缘能力超过了工业绝缘的要求（局部放电）。

        SKiiP器件采用最新IGBT芯片技术的同时，也采用了其他的先进技术，如用烧结技术取代焊接，弹簧触点取代焊接触点，提供了无与伦比的循环能力。驱动器采用基于数字的信号传输技术来传送逻辑信号和电流、电压和温度测量信号，从而确保了符合标准要求的安全电绝缘。内置靠近芯片的热传感器、快速的电流传感器，确保即使在硬短路情况下也可以安全运行。此外，还提供了CAN接口，可用于应用程序的设置以及故障状态下的详细诊断。

赛米控通过使用该IPM提供了一系列的三相逆变器，所谓的“组件”（图2）、水冷设计、符合资质且随时可用于电气柜。该设计已考虑广泛的国际标准，从电机驱动到太阳能应用，已通过严格的环保认证，而且也基于国际标准，包括运输和运行过程中的机械、气候和生物测试。该系列组件产品提供标准框架尺寸和各种电气特性，覆盖广泛的应用。采用了专用合格的薄膜电容器，直流母线在额定条件下的使用寿命可达100khrs。此外，SKiiP的内置传感器提供了应用控制所要求的高精度电流和电压测量。由赛米控提出的690VAC逆变单元SEMISTACK RE的容量从1MVA到1,5MVA。它具有最高可达1400A的输出电流和1250V的直流母线运行电压，包括了一个三相电压源逆变器所需的所有功率器件和便于与电气柜相集成的接口：AC、DC电源连接、控制接口、水管接头以及机械紧固件。赛米控拥有60多年的功率半导体经验和30年的功率组件制造经验，能够提供完全的定制功能、广泛测试和UL认证。

 

图3是将两个带水冷du/dt滤波器的功率组件集成到一个600mm x 600mm x 2200mm电气柜的例子。将这种功率组件改变为带有专用特性的变流器需要一块控制板，通过将高边和低边的逻辑信号提供到IGBT开关，并从每个半桥监测电流、电压、和温度反馈和错误信号来实现。这两个转换器的内部在直流侧相连。为了保证两个直流母线之间的良好耦合，在功率组件的顶端和底端采用了双极连接（使用母线结构）。

功率组件的组合 AC/DC、DC/AC、AC/AC

通过使用这样的三相功率组件，能够有可能通过单元的并联提高功率。逆变器的并联需要特别小心。为了保证良好的动态电流平衡，逆变器输出之间需要额外的电感器。这种硬并联模式，通过使用并联板来缓解。这种特殊的板通过收集逻辑信号和改变传感器信号的大小在逆变器模单元和控制板之间提供接口。使用多绕组发电机或电机是一种去除额外并联电感器的方法。鉴于多个控制板的复杂性，有效的并联也是可能的。这表明，必须要考虑许多的因素，在这样的多变流器系统中，控制架构是一个关键点，因为它可能包括独立的逆变器控制（例如用于冗余目的）。

风电应用中所使用变流器有两个背靠背的三相逆变器，一个连接到电网，另一个连接到发电机（AC/DC + DC/AC）。因功率增大和维护成本削减目标，正使发电机从双馈感应发电机（DFIG）转变到永磁（PM）发电机。即使并没有改变所用的拓扑结构，也已修改了尺寸条件和变流器的总功率（对于DFIG从安装功率的约1/3增加到永磁发电机的全功率）。连同风力发电机功率（高达10MW）的增加，对大功率变流器的需求正不断增加。

下面的例子说明了4-5MW的AC/AC变流器如何可以被设计成使用并联的功率组件，以及这些单元之间布线是如何受到影响的。在第一种配置中（图4），整流功能是由并联的整流器（RECT）实现的，逆变器（INV）的实现也一样。每个电气柜包含两个功率组件。必须注意的是，逆变器和整流器都使用相同的堆叠方式。滤波是通过电网侧线路滤波器和电机侧的du/dt滤波器来实现。该线路滤波器为了电流平衡目的，在每个变流器上分别使用滤波器。附加的制动斩波器是系统的一部分。结果显示出良好的功能、整流器、逆变器以及滤波器的分离。这种功能分离在整流器、逆变器和直流熔断器之间建立大直流连接，逆变器处理全部的直流电流，直流熔断器承载每个变流器的直流额定电流。

第二种配置（图5），显示了采用相同功率组件的AC/ AC变流器、相同功率、相同滤波器和相同的电气柜，但布线方式不同。每个机柜都由背靠背的一个整流器和一台逆变器组成。电气柜通过单独的滤波器并联，提高了电流共享能力。这种配置减少了对大电流直流配电和相应大电流熔断器的需要。能量会通过每个并联单元直接从AC到AC。直流熔断器只处理电气柜之间的不平衡电流，并且熔断器的尺寸要适合暂态运行（如果需要，运行在制动斩波方式）。电气柜之间的直流连接是必要的，以便在硬并联情况下，出于控制的目的，确保一个公共直流电压。

DC/DC组合中的功率组件

三相逆变器将DC转换成AC，但它可被用作三相交错降压-升压变流器，其作为可逆变流器将能够对电池进行充放电（图6），并且由于交错，具有滤波优化的优点。通过在三相配置上使用交错的开关，从直流侧（输入或输出）观察到的开关频率是开关频率的3倍，减少了滤波器的尺寸。通过将电流分离到更小尺寸的多个电感器，改善了电感优化（热管理）。如果需要的话，电池中的纹波电流可通过额外的LC滤波器进一步改善。从系统的角度来看，它减少了不同变流器单元的数量，从而提高了标准化。

采用低压功率组件的中压解决方案

在考虑几兆瓦的系统时，系统优化的趋势是增加工作电压（从低压到中压），以减少线径和相应的损耗。如果布线的好处是直接的，这会在变流器设计、性能、散热和维护方面带来一系列的问题。如果多单元变流器现被广泛用于许多应用中，也有替代解决方案，以防其中的条件不会带来一个决定性的选择。

组件并联允许电流的增加，组件串联也是一个提高电压能力的可能解决方案。主要的问题在于隔离。众所周知，增加电压能力的解决方案，显示在两个变流器接地连接（正和负）的两侧（图7）。每个组件的输出不能直接连接，需要使用多个绕组变压器或电机。再次强调，系统和组件之间的相互作用是一个关键点。这一决定并不只在于组件中，但组件是其一部分。选择采用低开关频率的专用高压变流器还是广泛的工业组件技术更多的是产业决策而非技术决策。

功率组件的优点

使用数量有限的子组件，并利用标准化生产和成本的优势，简化了维护。功率半导体芯片每3至5年升级换代一次，10至15年后过时。由于元器件过时，变流器的升级并非如此简单，即使从性能的角度来看，新的芯片总能提供改进。向后兼容性不得不处理机械、热和电气参数，也要处理像EMI这样的系统敏感问题。IPM包括驱动器、电流、电压和温度传感器。每个单独电路的电子电路的使用寿命周期由IPM本身决定。

未来趋势

赛米控已经在着手开发下一代功率组件。使用其新开发的SKiiPX IPM（图8），功率密度以及环境承受能力将得到提升。

其新的SKiN技术和高效水冷技术一起提供了出色的性能。SKiiPX的模块化结构提供了电流等级方面的模块化。外壳满足3K4气候类型和3级污染防护级别要求，改善了其在恶劣环境下运行寿命。结合创新的结构和优化的热管理，实现了3MW四象限变流器，安装在800mm x 600mm x 2000mm的电气柜中。

结论

对于变流器制造商来说，购买像功率组件这样更高级的功能，可极大减少开发和生产的工作量，缩短产品上市时间，提高质量合格率并简化产品寿命周期管理。对于系统集成商来说，功率组件是一种使用简单且可靠的电源功能来构建创新型电源系统的途径，它没有对电源装置实现方面的约束，可释放系统架构和控制方面的开发资源。