用第4代IGBT模块实现风电变流器的高功率密度设计
英飞凌四代IGBT模块封装工艺和技术详解
英飞凌四代IGBT模块封装工艺和技术详解英飞凌四代IGBT模块封装工艺和技术详解作者：微叶科技时间：2015-12-10 15:57IGBT 是绝缘门极双极型晶体管（Isolated Gate Bipolar Transistor）的英文缩写。
它是八十年代末，九十年代初迅速发展起来的新型复合器件。
由于它将 MOSFET 和 GTR 的优点集于一身，既有输入阻抗高，速度快，热稳定性好，电压驱动（MOSFET 的优点，克服 GTR 缺点）；又具有通态压降低，可以向高电压、大电流方向发展（GTR 的优点，克服 MOSFET 的缺点）等综合优点，因此 IGBT 发展很快，在开关频率大于1KHz，功率大于5KW 的应用场合具有优势。
随着以 MOSFET、IGBT 为代表的电压控制型器件的出现，电力电子技术便从低频迅速迈入了高频电力电子阶段，并使电力电子技术发展得更加丰富，同时为高效节能、省材、新能源、自动化及智能化提供了新的机遇。
英飞凌／EUPEC IGBT 芯片发展经历了三代，下面将具体介绍。
一、IGBT1－平面栅穿通（PT）型 IGBT （1988 1995）西门子第一代 IGBT 芯片也是采用平面栅、PT 型 IGBT 工艺，这是最初的 IGBT 概念原型产品。
生产时间是 1990 年－ 1995 年。
西门子第一代IGBT 以后缀为“DN1” 来区分。
如BSM150GB120DN1。
图 1.1 PT-IGBT 结构图PT 型 IGBT 是在厚度约为 300－500μm 的硅衬底上外延生长有源层，在外延层上制作IGBT 元胞。
PT-IGBT 具有类GTR 特性，在向1200V 以上高压方向发展时，遇到了高阻、厚外延难度大、成本高、可靠性较低的障碍。
因此，PT-IGBT 适合生产低压器件，600V 系列IGBT 有优势。
二、IGBT2－第二代平面栅 NPT-IGBT西门子公司经过了潜心研究，于 1989 年在 IEEE 功率电子专家会议（PESC）上率先提出了 NPT－IGBT 概念。
高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算
Matlab M 于
软 件 的 语 言 开 发 了 损 耗 及 结 温 计 算 程 序 ，可 以 计 算 出 不 同 工 况 下 的 损 耗 和 结 温 等 重 要 参 数 ，为电
机控制器的热设计提供指导。
关 键 词 ：电 机 控 制 器 ；绝 缘 栅 双 极 型 晶 体 管 （IGBT);损 耗 ；结温
Abstract ：To design high reliability and high power density motor controller, it is very important to calculate the loss and junction temperature of the Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) module. In this paper, based on a high power density motor controller used for electric vehicle, a calculation method of loss and junction temperature of IGBT module by using data manual is analyzed, thermal resistance under actual cooling water temperature is calculated by FLUENT software, to solve the problem of incomplete thermal performance data in the data manual. A loss and junction temperature calculation programme is developed based on Matlab, and important parameters such as power loss and junction temperature can be calculated in different conditions, which could provide guidance for the thermal design of the motor controllers.
第4代IGBT采用的新技术与性能上的改变是什么
第4代IGBT采用的新技术与性能上的改变是什么
由于IGBT高频性能的改进，可将驱动电路、保护电路和顸障诩薪电路集成在一起，制成智能功率模块，一般情况下采用电压触发。
通过采用大规模集成电路的精细制作工艺并对器件的少数载流子寿命进行控制，新一代功率IGBT芯片已问世。
与第1代产品相比，在断态下降时间及饱和电压特性上均有较大的提高。
而新型IPM采用第4代IGBT，使模块的性能得以大幅提高，第4代IGBT在开发中主要采取以下几项新技术。
1) FWD技术。
在模块中选用降低正向电压(VF)的二极管器件，在600V和1200V系列产品的应用中，逆变器载波频率为lOkH。
时产生的损耗与第三代同系列产品相比降低20%。
2) 蚀刻模块单元的微细化技术。
采用蚀刻模块单元的微细化技术使第4代IGBT控制极的宽度(LH)已达到最佳化设计，故集电极、射极之间的饱和电压VCE(sat）可降低0.5V，使开关损耗降低。
3) NPT技术。
采用NPT技术使载流子寿命得到控制，从而减少开关损耗对温度的依存性。
这样，可减少长期使用过程中的开关损耗。
对于IGBT这类高速开关的要求无非是高速性和柔性恢复性。
对于正向电压VF和恢复损耗Err二者相比，在设计时宁可选择较高的VF 值。
但当选用高VF值而开关在低频工作时，将会使FWD的导通时间加长并使平均损耗增加，也使开关的温升提高。
为此第4代IGBT特别注意到设计最佳的电极构造，从而改善了VF、Frr关系，使FWD的VF降低0.4V~0.5V，总损耗渐少20%。
应用于风力发电的大功率IGBT驱动保护电路
不同的 UGE 对应不同的 UCE 与 IC 关系曲线。
3200 2800 2400 2000
UGE=20 V UGE=15 V UGE=12 V UGE=10V UGE=9 V UGE=8V
Ic/ A
1600
1200
800
400
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
UCE/ V
图 2 FZ1600R17KE3 输出特性曲线 Fig.2 The output characteristic curve of FZ1600R17KE3
（2） 故障信号的传递
IGBT 保护电路一般都要设计故障信号传递
·110·
王玲玲，等 应用于风力发电的大功率 IGBT 驱动保护电路
的电路， 通过该电路将故障信号传递到控制电 路，并采取相应的措施。 故障信号传递电路须具 备隔离功能， 将强电回路与控制回路隔离。 图 1 所示的保护电路的故障信号，巧妙地利用了电源 部分的脉冲变压器传递，既满足了故障信号隔离 传递的要求， 也无须单独设计故障信号传递电 路。 如图 1 所示，当保护电路触发时，三极管 U10 导通，变压器的原边电流是副边的 2 倍，在电阻 R5 上产生较大的压降，使得三极管 U7 导通，发出 故障信号，故障信号为低电平。
断 ， 减 小 IGBT 的 损 耗 ， 在 过 流 、 过 压 等 故 障 情 况 下 保 证 IGBT 可 靠 的 关 断 ，从 而 保 证 机 组 的 安 全。 本文着重分析介绍了一种用分立元器件设 计 的 IGBT 过 流 保 护 电 路 ，对 该 驱 动 保 护 电 路 进 行了试验研究。 1 一种用分立元件构成的过流保护电路
（3） 硬件关断及实现软关断 在 IGBT 发生过流时，硬件关断可以快速、有 效地直接将 IGBT 关断，确保了 IGBT 在过流时可 靠关断。 图 1 所示电路将保护电路与驱动电路的 二级推挽电路驱动级（设为 B 点）相连接。 当有故 障时，将 B 点的电压升高，最后一级推挽电路中 的 N-MOS 管就会导通， 将负偏压加到 IGBT 上， 迅速使 IGBT 关断，这就是硬件关断。 在 IGBT 过流的情况下关断 IGBT 时，它的集 电极电流的下降率较高， 如不采取软关断措施， 极高的电流下降率将会在主电路的分布电感上 感应出较高的过电压，导致电流电压的运行轨迹 超出它的安全工作区而损坏，所以在过流情况下 要采取软关断措施。 正常情况下，图 1 中所示的 软关断电阻 R23 是被 MOS 管 U15 旁路的， 不参与 IGBT 关断。 当过流故障发生时，三极管 U13 导通， 从而三极管 U12 导通，MOS 管 U14 也导通，MOS 管 U15 的栅极电压接近为零，MOS 管 U15 截止， 电阻 R23 串 入 IGBT 的 关 断 回 路 中 ， 栅 极 关 断 电 阻 增 加，使 IGBT 实现软关断。 2 试验 搭建保护试验平台如图 3 所示。
英飞凌IGBT模块以先进的耐硫化氢腐蚀性能提升海上风电变流器的可靠性
THE WORLD OF INVERTERS《变频器世界》May,2021英飞凌IGBT模块以先进的耐硫化氢腐蚀性能提升海上风电变流器的可靠性・英飞凌工业半导体海上风电一维成本非常高我国海上风能资源丰富，可开发风能资源约是陆上资源的3倍。
随着“3060”碳目标的确立和逐步落地，海上风电必将瞬更加广阔的发展空间。
与陆上风电相比，海上风电的生存环境更恶劣、可达性更差，所以风机由于故障停机导致的交通成本、运维成本和停机损失也远远高于陆上。
对于海上风电来说，后期运营维护费用会占相当一部本成本，所以变流器作为能量转换核心部件，其可靠性设计没有上限。
"多一分投入，少十分运维；多一份可靠，少一些出海”，这是全球风电人的共识。
在这点上，欧洲海上风电整机商起步早，积累多，他们认为并且践行“器件数量尽量少，系统可靠性越高”的原则，用尽可能少的IGBT模块设计大功率变流器已成行业共识。
海上风电——H2S是变流器可靠运行的隐蔽杀手H2S（硫化氢）气体大家并不陌生，通常首先想到的是臭鸡蛋气味。
H?S达到临界水平的恶劣环境在造纸、采矿、废水、石化加工以及橡胶业中尤为常见。
H2S对于功率半导体而言，是最具威胁的腐蚀性污染物。
IGBT模块在运行期间通常会升至高温，在所施加电压的作用下，一定浓度的硫化氢气体会发生反应生成硫化铜（Cu2S）晶体。
IGBT模块内部的电化学反应过程参见图1。
CU q S这种导电结构会在陶瓷基板DCB上的覆铜沟槽内蔓延，并在最坏的情况下，引发短路。
图2给出了IV腐蚀IGBT模块的示意图。
Voltage,Temperature,Humidity图1：硫化铜产生过程：H^S在IGBT模块内部的电化学反应⑴2013年，英国的Teesside ofehore wind&rm（蒂赛德海上风电场：27台2.3MW机组）的塔筒里，检测到了浓度不断升高的硫化氢气体（H q S）。
图3是其中_台风机一周内的H?S浓度监测数据，H：S浓度基本随时间线性变化。
高性能4H-SiC IGBT器件设计与制备技术研究
高性能4H-SiC IGBT器件设计与制备技术研究高性能4H-SiC IGBT器件设计与制备技术研究摘要：随着功率电子器件在领域中的广泛应用，高性能与高功率密度的要求对开关器件的设计与制备技术提出了更高的要求。
本文通过研究高性能4H-SiC IGBT器件的设计与制备技术，旨在提出一种能够满足高功率密度要求的新型开关器件。
引言：功率电子器件在能源转换、电动汽车、轨道交通等领域具有广泛的应用前景。
然而，传统的硅基功率器件在高温、高电压和高频率环境下的性能限制了其进一步的应用拓展。
为了满足高性能和高功率密度的需求，研究人员开始关注SiC材料，并探索了4H-SiC IGBT器件的设计与制备技术。
一、4H-SiC材料的特性及应用前景4H-SiC材料具有许多优异的特性，如高电子饱和速度、较大电子迁移率、高电热导率和宽禁带宽度等，使其成为理想的高功率密度器件材料。
与传统硅基器件相比，4H-SiC器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度能力，有望满足高功率密度和高温要求。
因此，4H-SiC材料在高速列车、电动汽车和风电等领域具有较好的应用潜力。
二、4H-SiC IGBT器件的基本结构和工作原理4H-SiC IGBT器件由P型衬底、N型埋藏层、P型再衬底、P型基区、N型漏结区域及金属电极组成。
当施加正向电压时，通过向N型埋藏层注入大量电子，使得P型再衬底、P型基区与N型漏结区形成PN结。
当施加负向电压时，PN结处于截止状态。
在导电状态下，通过P型基区的注入负载，实现将电流从漏结区到基区，从而实现4H-SiC IGBT器件的开启和关闭。
三、高性能4H-SiC IGBT器件的设计与优化（一）优化器件结构：通过调整器件结构的参数，如掺杂浓度、厚度等，来改善器件的性能。
优化后的4H-SiC IGBT器件具有更低的导通电阻和更高的截止电压。
（二）优化材料特性：选择合适的4H-SiC材料，通过优化沉积和退火工艺，来改善电子迁移率和载流子浓度，从而提高器件的性能。
基于大功率风电变流器IGBT模块的可靠性设计分析
基于大功率风电变流器IGBT模块的可靠性设计分析发表时间：2018-07-26T12:02:50.670Z 来源：《电力设备》2018年第10期作者：尚效周唐侃周桂生[导读] 摘要：风力发电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球大规模开发应用。
(南瑞集团（国网电力科学研究院）有限公司江苏南京 211106)摘要：风力发电作为应用最广泛和发展最快的新能源发电技术，已在全球大规模开发应用。
大功率风电变流器由于和普通变流器有非常大的区别，对大功率风电变流器进行设计的过程中需要注意的事项有很多，而大功率的风电变流器由于自身结构设计的特殊要求，母排的可靠性设计是影响整机的关键因素。
基于此，本文主要对大功率风电变流器母排可靠性设计进行分析。
关键词：大功率；风电变流器；母排设计1、前言在当今节能减排的大环境下，发展以风能为代表的新能源已是大势所趋。
大功率风电变流器本身和普通的变流器有很大的区别，功率密度、工作环境、工作状态的不同，以及可能出现的台风、冰雹等恶劣天气。
均会对大功率风电变流器电气设备的可靠性及安全性造成影响。
在电气设备的设计过程中，母排的可靠性设计是影响整机性能的关键因素，如设计不当，会有IGBT功率模块炸毁、绝缘失效、局部放电及过热等影响。
因此基于大功率风电变流器母排的可靠性设计做详细分析。
2、IGBT模块的关键器件选型设计风电功率组件中的关键器件包括功率器件、支撑电容器、电流传感器、电压传感器、温度传感器、低感母排及散热器等，其中功率器件与支撑电容器选型直接关系功率组件的性能指标和可靠性。
功率组件包含多种电路拓扑结构，但其基本电路拓扑为全桥功率组件，目前绝大部分风电变流器使用的功率器件为 IGBT。
下面对全桥电路拓扑 IGBT 功率组件的 IGBT 及支撑电容器的选型进行介绍。
2.1 IGBT 选型IGBT 选型主要根据计算的电压等级与电流大小来确定。
因风电变流器对可靠性与成本要求很高，在满足电压、电流前提下，应尽量选取市场用量大、质量好、成本低的器件。
浅谈风电变流器中IGBT的可靠性研究
摘要：风能作为清洁无污染的可再生能源，目前储存量相当可观，受到了全球的瞩目关注，风力发电也得到了广泛的应用和长足的发展。风电变流器作为连接风力发电机组和电网的关键部件，既要控制风力发电机组的运行，又要控制输向电网的电能质量，且运行环境恶劣，是风力发电机组的高故障率的部件之一，而IGBT又是风电变流器中故障率最高的部件，因此对其可靠性的研究非常有必要。基于此，本文分析了风电变流器中IGBT的可靠性。
从系统可靠性的角度，功率器件系统一般可以被认为是串联型的不可修复系统，而IGBT模块包括IGBT和反并联晶体二极管(Diode)芯片，IGBT模块系统的失效率λIGBTs计算方程为：
（4）
功率器件的故障率在稳定失效期一般不是恒定的，是随时间变化的，因此它并不满足恒故障率模型的基本条件。基于大多数可靠性手册的评估方法一般适用于评估与半导体器件偶然性失效有关的失效形式，而大功率器件失效主要因封装失效而引起，因此该方法并不适用于评估大功率器件的可靠性。
（1）
基于MIL-HDBK-217F可靠性手册的半导体器件可靠性评估方法，根据失效率计算方式的不同，包括部分应力法和组件计数法，以部分应力法为例，IGBT和二极管的失效率λIGBT和λDiode的计算方程为：
（2）
（3）
式中：λb(IGBT)和λb(Diode)是IGBT和二极管的基本失效率；πQ是品质因子；πE是环境因子；πA是应用因子；πC是接触结构因子；πS是应力因子；πT是温度因子，影响因子的计算方法可参照文献。
2、影响IGBT可靠性的主要因素
2.1、热循环的影响
IGBT通常是工作于PWM调制的脉冲方式下，IGBT结温逐步上升，当IGBT产生的热量和散热装置带走的热量达到了热平衡后，IGBT结温将围绕一定温度做小平衡都将被打破，模块各层温度也将发生变化，直至进入新的平衡工作点。同时，IGBT器件在工作时存在开关及导通损耗，器件会发热，温度升高。在另半周期内，模块处于续流状态，二极管工作，而IGBT处于阻断状态，损耗很小，IGBT芯片温度下降。因此，在工作中IGBT芯片的温度不停变化。由于温度循环变化，而模块中各种材料的膨胀系数又不相同，因此器件内部存在热应力作用。该应力持续反复作用，最终导致模块失效，如铝导线断裂、焊层开裂等。对于某种模块，在相同环境温度下，温差波动越大，模块能承受的循环次数越小；在相同温差波动下，温度越高，模块能承受的循环次数越小。
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现随着可再生能源的发展和推广，风力发电作为一种清洁、可再生的能源形式正逐渐受到重视。
风力发电系统中的关键部件之一是风电变流器，在将风轮产生的变化风速转换为恒定频率和电压的交流电时起到至关重要的作用。
风电变流器的模块化拓扑结构设计与实现是提高风电系统效率和可靠性的关键因素之一。
模块化设计能够使变流器的故障诊断与排除更加便捷，同时可以提高变流器的可维修性和可扩展性。
在设计风电变流器的模块化拓扑结构时，首先需要考虑变流器的功率级别和功能要求。
根据风电系统的规模和装机容量，选择合适的功率级别，一般为数千千瓦至数十万千瓦。
接下来，需确定变流器的功能要求，包括输出功率、输出电压、电流质量和运行稳定性等。
基于功率级别和功能要求，设计师可以选择适合的模块化拓扑结构。
常见的模块化拓扑结构包括多级逆变器、并联逆变器和串联逆变器等。
多级逆变器具有分布式输出电压和电流的特点，能够提高电力质量，减少电网对逆变器的要求。
并联逆变器适用于需要增加系统容量或降低单个逆变器功率的情况下，具备高效能够并联多个逆变器的能力。
串联逆变器则适用于需要提供高电压和大功率输出的情况，能够提高系统效率。
根据实际需求选择合适的拓扑结构，能够提高风电变流器的性能。
在实现风电变流器的模块化拓扑结构时，可以采用硬件模块化和软件模块化相结合的方式。
硬件模块化通常采用模块化逆变器、模块化滤波器和模块化电感器等，使整个系统易于拆卸和维护。
软件模块化则可以通过编程实现，利用控制算法实现模块化功能，并通过通信接口进行模块间的数据传输和联动控制。
在设计风电变流器的模块化拓扑结构时，还需要关注系统的可靠性和安全性。
采用模块化结构可以降低故障发生的概率，同时利于故障的检测和隔离。
在模块化拓扑结构中，一个模块的故障不会影响整个系统的工作，只需替换或修复故障模块即可恢复系统的正常运行。
此外，应考虑系统的保护功能，包括过载保护、短路保护、过温保护等，以保证系统的安全运行。
用第4代IGBT模块实现风电变流器的高功率密度设计
用第4代IGBT模块实现风电变流器的高功率密度设计Using IGBT4 Modules to realize High Power Density Design of Wind Power ConvertersOct. 2010 Power SeminarWind Power and Infineon Solution22.05.2007For internal use onlyPage 2Double Feed Induction Generator22.05.2007For internal use onlyPage 3Direct-Drive Synchronous Generator22.05.2007For internal use onlyPage 4Direct-Drive Synchronous Generator22.05.2007For internal use onlyPage 5Requirement of IGBT modules for wind converter20 years design-lifetime for power semiconductors ? calculation based on load cycles given by customers based on their specific power conversion system. Clearance and creepage distances higher than for industry inverters needed in case no splash water protected cabinet is used. ? for high humidity and salt content in the air Low losses Low thermal resistances Availability of DC-link voltage ? Package, internal stray inductance. RBSOA22.05.2007For internal use onlyPage 6IGBT Module SolutionIHMPrimePackTMEconoDualTM3EconoPackTM+22.05.2007For internal use onlyPage 7Module Solution22.05.2007For internal use onlyPage 8Overview of IGBT in Wind PowerA3600240018003600 A -400 A16002400 A -300 A12001000A1000800450A 650A 450 A -150 A Parallel to 1350A 450 A -150 A 600AlSiC KF6C_B2 KF6C400SixPACK HalfbridgeKE3 KE4 ME3 ME4AlSiC KE3_B230022.05.2007For internal use onlyPage 9IGBT modules ->Double Feed Wind SystemWind Power 1.25MW IGBT Module EconoDUAL3 Rotor side FF450R17ME4 Paralleling / per arm 2pcs Grid side FF450R17ME4 FS450R17ME4 FF650R17IE4 FF450R17ME4 FF650R17IE4 FZ1600R17HP4 FZ1600R17KE3 FF1000R17IE4 Paralleling /Per arm N N N 3pcs 2pcs N Cooling WaterPrimePACK2/3 1.5MW EconoDUAL3 PrimePACK2/3 IHM B IHM A 2.0MW PrimePACK3FF1000R17IE4 FF450R17ME4 FF1000R17IE4 FZ1600R17HP4 FZ1600R17KE3 FF1000R17IE4N 3pcs 2pcs NWater Water Air-forced Air-forced3pcs 2pcs N 4pcs2pcs 2pcs N 4pcsAir-forced Water Air-forced WaterIHM B EconoDUAL3FZ2400R17HP4 FF450R17ME4FZ1600R17HP4 FF450R17ME4*Remark: 1) The proposal is based on the simulation conditions below as well as the general case experiences. Vdc=1100V, Vin=690V, fo=0~15Hz, fs=2kHz @ rotor side, fo=50Hz, fs=3kHz @ grid side, OL=120%. 2) The usage of thedifferent IGBT solutions are mostly influenced by the real cooling system. Therefore, the disclaimer rule should be complied.22.05.2007 For internal use only Page 10IGBT modules ->Full Power Wind SystemWind Power 1.5MW IGBT Module PrimePACK3 IHM A 2.0MW PrimePACK3 IHM B Rotor side FF1000R17IE4 FF1200R17KE3 FF1000R17IE4 FZ2400R17HP4_ B29 Paralleling/ per arm 3pcs 2pcs 3pcs 2pcs Grid side FF1000R17IE4 FF1200R17KE3 FF1000R17IE4 FZ2400R17HP4 _B29 Paralleling /Per arm 3pcs 2pcs 3pcs 2pcs Cooling Water Water Water Water22.05.2007For internal use onlyPage 11PrimePACK?Highest creepage and clearance distance Housing material with CTI>400 Designed for over voltage class 2 Very low inductive module design Optimized chip position for better heat spreading. Complete portfolio available for 1700V. Easy for paralleling of several modules Optimized driver board design possible22.05.2007For internal use onlyPage 12Product Range22.05.2007For internal use onlyPage 13PrimePACK?Internal Bus BarLow Module Stray Inductance* Welding instead of solderingincreasing mechanical robustness Optimized CostPrimePACKTM2: Internal Layout* PrimePACK?2: ~ 18 nH * PrimePACK?3: ~ 10 nH22.05.2007For internal use onlyPage 14PrimePACK? RthchIncreased mounting screws dedicated for each DCBXXXXXDiode IGBTXXXXXResult in: Low Thermal Resistance RthCH (Case-Heatsink)22.05.2007For internal use onlyPage 15PrimePACK?Creepance 33mm Clearance 19mm CTI > 400High Creepance & Clearance Distance for Highly Contaminated Environment Meets Safety Standard: up to 3300V Impulse Voltage (Over Voltage Class 2, Pollution Degree 3)22.05.2007For internal use onlyPage 16IHM B family with IGBT41200V/1700VNEWNEWFZ Single switch3600 INOM 3600AR17 UCE 1700 VH IHM B housingP4 High Power IGBT4_B2 Traction versionNew IHM B housing22.05.2007 For internal use onlyNew IGBT4 chipPage 17Housing CompatibilityIHM A housingIHM B housingBoth housing types are 100% mechanically compatible concerning footprint - 130x140 mm housing - 140x190 mm housing mounting positions - to the heat sink - to the bus bar - to the PCB22.05.2007 For internal use only Page 18IHM B Version - “ industrial” and “traction”Applications: Module features: Base plate: Substrate: Power Cycling: Thermal Cycling: Isolation:[RMS, 50Hz, 1 Min.]TractionIndustryAlSiC Optimised Optimised Optimised 4 kV Σ = HigherReliabilityCu Al2O3 Standard Standard 3,4 kV Σ = Cost Efficiency22.05.2007For internal use onlyPage 19。
【CN209402406U】高功率密度的风冷型变流器箱体结构【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)实用新型专利(10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920354462.1(22)申请日 2019.03.19(73)专利权人 成都伟特自动化工程有限公司地址 610000 四川省成都市金牛区高科产业园兴科南路(72)发明人 王庆 (51)Int.Cl.H02M 1/00(2007.01)H05K 7/20(2006.01)(54)实用新型名称高功率密度的风冷型变流器箱体结构(57)摘要本实用新型提出了一种高功率密度的风冷型变流器箱体结构，包括框架和安装板，安装板上设有变流器的主控板、叠层母排和电容器，还设有对功率元件散热的散热器和对电容冷却的风机；所述安装板包括前安装板、左侧板、右侧板以及背板；所述框架主体结构由四块钣金件合围，包括前安装板、左侧板、右侧板以及背板，左侧板和右侧板的宽度小于前安装板和背板，且右侧板为形成冷却风道的主安装面，在其深度方向上布置元器件，叠层母排垂直于正面的前安装板。
本实用新型提高柜体安装密度，在800mm柜体中保证两台250KW的能力；提高变流器产品后期维护拆装的便利性；提供快速更换风机的结构设计；从结构上考虑电磁兼容性，减少主回路对控制板的电磁干扰。
权利要求书1页 说明书3页 附图3页CN 209402406 U 2019.09.17C N 209402406U权 利 要 求 书1/1页CN 209402406 U1.一种高功率密度的风冷型变流器箱体结构，其特征在于：包括框架和安装板，安装板上设有变流器的主控板、叠层母排和电容器，还设有对功率元件散热的散热器和对电容冷却的风机；所述安装板包括前安装板、左侧板、右侧板以及背板；所述框架主体结构由四块钣金件合围，包括前安装板、左侧板、右侧板以及背板，左侧板和右侧板的宽度小于前安装板和背板，且右侧板为形成冷却风道的主安装面，在其深度方向上布置元器件，叠层母排垂直于正面的前安装板。
一种高电流密度的IGBT功率模块[实用新型专利]
![一种高电流密度的IGBT功率模块[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a9b8dfa48662caaedd3383c4bb4cf7ec4afeb602.png)
专利名称：一种高电流密度的IGBT功率模块专利类型：实用新型专利
发明人：袁磊,王凯锋
申请号：CN202122441551.X
申请日：20211011
公开号：CN216213451U
公开日：
20220405
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种高电流密度的IGBT功率模块，包括底板、呈上下对称设置在所述底板上的上AMB基板和下AMB基板，所述上AMB基板和所述下AMB基板上均设置有MOSFET芯片和SBD二极管，所述MOSFET芯片和SBD二极管并排设置，上、下桥分别分布在所述上AMB基板和下AMB基板上，上、下桥之间通过键合线连接。
与现有模块相比，本模块可并联更多的芯片来提升模块电流等级。
传统布局中，正面铜层利用率低，无法并联更多的芯片，该模块采用上、下桥各布置在上AMB基板和下AMB基板上，高效的利用了AMB基板上的空余部分。
申请人：合肥中恒微半导体有限公司
地址：230000 安徽省合肥市高新区创新大道与明珠大道交叉口106号5号楼2层C区
国籍：CN
代理机构：合肥律众知识产权代理有限公司
代理人：殷娟
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低风速风力发电系统中变流器的功率密度优化
低风速风力发电系统中变流器的功率密度优化随着环境保护意识的增强和可再生能源的发展，风力发电成为了一种重要的清洁能源来源。
然而，由于自然风速的随机性和不稳定性，低风速风力发电系统的功率输出相对较低，这对于提高风力发电的经济性和可靠性来说是一个挑战。
在低风速条件下，变流器作为风力发电系统的关键组件，发挥着将风机输出的交流电能转化为稳定的直流电能的重要作用。
在低风速风力发电系统中，变流器的功率密度优化是提高整个系统效率和性能的一个关键因素。
功率密度是指在给定体积或质量下，能够输出的最大功率。
提高变流器的功率密度可以有效地减小其体积和重量，降低系统的成本，并且有利于系统的安装和维护。
那么，在低风速风力发电系统中，如何优化变流器的功率密度呢？以下我们将从器件选择、拓扑结构设计和冷却系统优化等方面进行探讨。
首先，正确的器件选择对于提高变流器的功率密度至关重要。
在低风速条件下，大多数的风力发电系统采用了直接驱动永磁同步发电机作为风机的发电机。
因此，变流器的主要功能是将发电机输出的交流电转化为直流电。
在这种情况下，采用半导体器件来实现高效的电能转换是必要的。
常见的器件包括IGBT（绝缘栅双极性晶体管）和SiC（碳化硅）器件等。
SiC器件相较于传统的IGBT器件具有更低的开关损耗和更高的工作温度，能够提高变流器的效率和功率密度。
其次，拓扑结构设计是提高低风速风力发电系统中变流器功率密度的关键。
多级拓扑结构是一种常用的设计方案，其中包括了多个独立的变流器级别。
这样的设计可以提高整个系统的容错能力和可靠性，并且可以在低风速情况下同时工作于多个级别，从而提高变流器的功率输出。
此外，采用谐振电路或多电平拓扑可以进一步提高变流器的功率密度。
最后，冷却系统优化也是提高低风速风力发电系统中变流器功率密度的重要环节。
变流器在工作过程中产生的热量需要得到有效冷却，以确保稳定的性能和可靠性。
传统的冷却方式包括风冷和水冷两种。
然而，在低风速风力发电系统中，由于风速较低，风冷式冷却的效果可能不够理想。
风电变流器的IGBT组合方案的评估方法及装置[发明专利]
![风电变流器的IGBT组合方案的评估方法及装置[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/74246578ce84b9d528ea81c758f5f61fb7362821.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711423409.4(22)申请日 2017.12.25(71)申请人 北京金风科创风电设备有限公司地址 100176 北京市大兴区北京经济技术开发区康定街19号(72)发明人 杨志千 姜晓昌 (74)专利代理机构 北京铭硕知识产权代理有限公司 11286代理人 曾世骁 郭鸿禧(51)Int.Cl.G06Q 10/04(2012.01)G06Q 10/06(2012.01)G06Q 50/06(2012.01)(54)发明名称风电变流器的IGBT组合方案的评估方法及装置(57)摘要本发明提供了一种风电变流器的IGBT组合方案的评估方法及装置。
所述方法包括：针对多个IGBT组合方案，基于风力发电机的与风速相应的输出功率、指示预定时间段内各风速存在的时长的风频时间、和每个IGBT组合方案的与风速的转换效率，计算每个IGBT组合方案在所述预定时间段内的总发电量；将每个IGBT组合方案在所述预定时间段的总发电量进行比较；基于比较结果，将所述多个IGBT组合方案之中的总发电量最高的IGBT组合方案确定为最优IGBT组合方案。
根据所述方法和装置，可将风力发电机组在全功率段总发电效率、总发电量达到最优的IGBT组合方案选为最优的IGBT组合方案。
权利要求书1页 说明书6页 附图3页CN 108875994 A 2018.11.23C N 108875994A1.一种风电变流器的IGBT组合方案的评估方法，其特征在于，包括：针对多个IGBT组合方案，基于风力发电机的与风速相应的输出功率、用于指示预定时间段内各风速存在的时长的风频时间、和每个IGBT组合方案的与风速相应的转换效率，计算每个IGBT组合方案在所述预定时间段内的总发电量；将每个IGBT组合方案在所述预定时间段的总发电量进行比较；基于比较结果，将所述多个IGBT组合方案之中的在所述预定时间段内总发电量最高的IGBT组合方案确定为最优IGBT组合方案。
风电变流器IGBT模块的冷板设计
风电变流器IGBT模块的冷板设计
姜红霞;谷操;靳霏;赵真
【期刊名称】《车辆与动力技术》
【年(卷),期】2017(000)001
【摘要】针对某2.0MW风电变流器IGBT模块的散热需求,对其散热部件——冷板进行几何参数和性能参数(表面温度和流动阻力)的设计和计算,特别是对介质的对流换热系数进行了理论推导和计算.对冷板的仿真分析和装机试验的结果进行分析,结果表明所设计的冷板能够同时满足表面温度低于80℃、介质流动阻力小于1bar 的参数要求,保证了IGBT模块可靠工作.
【总页数】4页(P51-54)
【作者】姜红霞;谷操;靳霏;赵真
【作者单位】中国北方车辆研究所,北京100072;中国北方车辆研究所,北京100072;中国北方车辆研究所,北京100072;三一重型能源装备有限公司,北京102202
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.风电变流器IGBT模块的多时间尺度寿命评估 [J], 刘中
2.风电变流器IGBT模块通断延迟时间结温探测模型研究 [J], 姚芳;马静;张彧硕;唐圣学;黄凯;李志刚
3.风电变流器IGBT模块工作结温估算研究 [J], 姚芳;胡洋;唐圣学;曹博;李志刚
4.英飞凌IGBT模块以先进的耐硫化氢腐蚀性能提升海上风电变流器的可靠性 [J],
5.大容量风电变流器中IGBT模块多并联策略 [J], 陈志强;于彬;刘洋;杨定堃
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Using IGBT4 Modules to realize High Power Density Design of Wind Power ConvertersOct. 2010 Power SeminarWind Power and Infineon Solution22.05.2007For internal use onlyPage 2Double Feed Induction Generator22.05.2007For internal use onlyPage 3Direct-Drive Synchronous Generator22.05.2007For internal use onlyPage 4Direct-Drive Synchronous Generator22.05.2007For internal use onlyPage 5Requirement of IGBT modules for wind converter20 years design-lifetime for power semiconductors ¬ calculation based on load cycles given by customers based on their specific power conversion system. Clearance and creepage distances higher than for industry inverters needed in case no splash water protected cabinet is used. ¬ for high humidity and salt content in the air Low losses Low thermal resistances Availability of DC-link voltage ¬ Package, internal stray inductance. RBSOA22.05.2007For internal use onlyPage 6IGBT Module SolutionIHMPrimePackTMEconoDualTM3EconoPackTM+22.05.2007For internal use onlyPage 7Module Solution22.05.2007For internal use onlyPage 8Overview of IGBT in Wind PowerA3600240018003600 A -400 A16002400 A -300 A12001000A1000800450A 650A 450 A -150 A Parallel to 1350A 450 A -150 A600AlSiC KF6C_B2 KF6C400SixPACK HalfbridgeKE3 KE4 ME3 ME4AlSiC KE3_B230022.05.2007For internal use onlyPage 9IGBT modules ->Double Feed Wind SystemWind Power 1.25MW IGBT Module EconoDUAL3 Rotor side FF450R17ME4 Paralleling / per arm 2pcs Grid side FF450R17ME4 FS450R17ME4 FF650R17IE4 FF450R17ME4 FF650R17IE4 FZ1600R17HP4 FZ1600R17KE3 FF1000R17IE4 Paralleling /Per arm N N N 3pcs 2pcs N Cooling WaterPrimePACK2/3 1.5MW EconoDUAL3 PrimePACK2/3 IHM B IHM A 2.0MW PrimePACK3FF1000R17IE4 FF450R17ME4 FF1000R17IE4 FZ1600R17HP4 FZ1600R17KE3 FF1000R17IE4N 3pcs 2pcs NWater Water Air-forced Air-forced3pcs 2pcs N 4pcs2pcs 2pcs N 4pcsAir-forced Water Air-forced WaterIHM B EconoDUAL3FZ2400R17HP4 FF450R17ME4FZ1600R17HP4 FF450R17ME4*Remark: 1) The proposal is based on the simulation conditions below as well as the general case experiences. Vdc=1100V, Vin=690V, fo=0~15Hz, fs=2kHz @ rotor side, fo=50Hz, fs=3kHz @ grid side, OL=120%. 2) The usage of the different IGBT solutions are mostly influenced by the real cooling system. Therefore, the disclaimer rule should be complied.22.05.2007 For internal use only Page 10IGBT modules ->Full Power Wind SystemWind Power 1.5MW IGBT Module PrimePACK3 IHM A 2.0MW PrimePACK3 IHM B Rotor side FF1000R17IE4 FF1200R17KE3 FF1000R17IE4 FZ2400R17HP4_ B29 Paralleling/ per arm 3pcs 2pcs 3pcs 2pcs Grid side FF1000R17IE4 FF1200R17KE3 FF1000R17IE4 FZ2400R17HP4 _B29 Paralleling /Per arm 3pcs 2pcs 3pcs 2pcs Cooling Water Water Water Water22.05.2007For internal use onlyPage 11PrimePACK™Highest creepage and clearance distance Housing material with CTI>400 Designed for over voltage class 2 Very low inductive module design Optimized chip position for better heat spreading. Complete portfolio available for 1700V. Easy for paralleling of several modules Optimized driver board design possible22.05.2007For internal use onlyPage 12Product Range22.05.2007For internal use onlyPage 13PrimePACK™Internal Bus BarLow Module Stray Inductance* Welding instead of soldering increasing mechanical robustness Optimized CostPrimePACKTM2: Internal Layout* PrimePACK™2: ~ 18 nH * PrimePACK™3: ~ 10 nH22.05.2007For internal use onlyPage 14PrimePACK™ RthchIncreased mounting screws dedicated for each DCBXXXXXDiode IGBTXXXXXResult in: Low Thermal Resistance RthCH (Case-Heatsink)22.05.2007For internal use onlyPage 15PrimePACK™Creepance 33mm Clearance 19mm CTI > 400High Creepance & Clearance Distance for Highly Contaminated Environment Meets Safety Standard: up to 3300V Impulse Voltage (Over Voltage Class 2, Pollution Degree 3)22.05.2007For internal use onlyPage 16IHM B family with IGBT41200V/1700VNEWNEWFZ Single switch3600 INOM 3600AR17 UCE 1700 VH IHM B housingP4 High Power IGBT4_B2 Traction versionNew IHM B housing22.05.2007 For internal use onlyNew IGBT4 chipPage 17Housing CompatibilityIHM A housingIHM B housingBoth housing types are 100% mechanically compatible concerning footprint - 130x140 mm housing - 140x190 mm housing mounting positions - to the heat sink - to the bus bar - to the PCB22.05.2007 For internal use only Page 18IHM B Version - “ industrial” and “traction”Applications: Module features: Base plate: Substrate: Power Cycling: Thermal Cycling: Isolation:[RMS, 50Hz, 1 Min.]TractionIndustryAlSiC Optimised Optimised Optimised 4 kV Σ = Higher ReliabilityCu Al2O3 Standard Standard 3,4 kV Σ = Cost Efficiency22.05.2007For internal use onlyPage 19Products Range (1700V)“Copper base plate” “AlSiC base plate”22.05.2007For internal use onlyPage 20PrimePACK3 –high power density FF1400R17I P41400A / 1700VFF1000R17I E41000A / 1700V1400A/IP4 Vcesat=2.1V @Tvj=125oC 2.2V @Tvj=150oC (Eon+Eoff) /Inom =0.804mJ/A Rthjc=0.0155K/W 0.80361000A/IE4 Vcesat =2.35V @Tvj=125oC 2.45V @Tvj=150oC (Eon+Eoff)/Inom=0.681mJ/A Rthjc=0.024K/WOutput currentOutput currentAir forced vs. PipelinePipe line vs. Liquid。