PrimePACK模块在双馈风力发电系统中的可靠性考虑

仿真

摘要
风能作为一种绿色能源，一直被广泛的关注着。各种各样的风力发电解决方案也应运而生：无功率变换器方案，双馈方案，全变换方案…. 在诸多方案中，双馈方案由于其功率变换单元小、风速调节范围广、响应快等特点，是目前应用最为广泛的一种解决方案。双馈功率变换器的寿命问题，一直是双馈系统的一个讨论的热点。为了满足整机长时间的寿命要求，功率变换器中的各个器件都要经过严格寿命考核。作为功率变换器中核心器件的IGBT模块当然也不例外。本文主要针对PrimePACK(英飞凌最新的大功率模块)在双馈系统的寿命问题进行讨论。

1. 双馈风力发电系统
双馈风机的结构如图1所示。叶片通过齿轮箱连接到双馈感应电机的转子轴上。双馈感应电机转子的三相绕组外接到双馈功率变换器上。变换器的输出直接连电网。而双馈感应电机的定子三相绕组也连到电网上。
当风速较大，转子转速超过同步速（对于两对极电机n=60*f/p=1500rps）时，转差率s（=n0-n/n0）为负。转子和定子同时向电网输送能量。此时的能量流入图1中红色箭头所示。叶片得到的机械能分为电磁功率和转差功率，分别通过定子和转子（经过功率变换器）传输到电网。而当风速较小，转子转速低于同步速时，转差率s为正。转子通过功率变换器获得转差功率来励磁。可见双馈功率变换器需要实现能量的双向流动，必须采用背靠背的结构。
电网侧的变换器，输出直接连接电网。输出频率恒定为50Hz，功率因数基本为1。转子侧变换器的输出频率为转差频率，也就是说输出频率从0Hz（同步速频率）到15Hz（最高速），额定转速下输出频率在5Hz，如果额定转差率为0.1。IGBT模块的热时间常数一般只有几百个毫秒。而转子侧变换器长时间工作在几赫兹的输出频率下。这种工作模式会造成IGBT芯片的温度波动很大。此外由于风机一般都装在自然条件比较恶劣的地区。环境温度的变化比较大，并且由于阵风引起的风机的频繁起停，都会造成IGBT模块壳温有较大的波动。这些因素都会对IGBT模块的寿命产生影响。

                                                                        图1 双馈系统结构

2. IGBT模块的可靠性
讨论IGBT模块的寿命问题首先要了解IGBT模块的构造，如图2所示。IGBT芯片通过焊层焊到衬底的上表面铜层（衬底是三层结构，表层和底层分别是铜层，中间层一般用陶瓷(如Al2O3，AlN)构成起到绝缘效果）衬底底层由焊层连接到铜基板。而芯片的表层由连接线相连，形成电气功能。目前来看制约IGBT模块的因素主要有两个：功率周次，温度周次。

                           图2 带铜基板模块的内部结构

功率周次：当模块中芯片的温度波动时，由于连接线和芯片表层不同的热膨胀系数，会使连接线和芯片表层有一个相对位移，从而对连接线以及焊点造成应力。温度波动越大，应力也越大。当应力积累到一定程度，模块就会失效，具体表现为连接线表面脱落，或者连接线断裂，如图3。功率周次不仅和温度波动的大小有关，而且也和芯片的绝对工作温度有关。同样的温度波动下，芯片温度高，则功率周次差。


                     图3 功率周次失效模块

温度周次：当模块基板温度发生变化，由于陶瓷衬底和铜基板的热扩张系数不同。会造成陶瓷衬底到铜基板之间的焊接层受到一个横向的应力，造成焊接层降级而热阻增加，最终导致模块过热损坏。同样的问题也会发生在功率端子和衬底之间的焊接层，以及芯片和衬底之间的焊接层上。图4显示了衬底和铜基板之间的焊层，经过一定的温度周次之后的X光图像，可以看出经过一定的温度周次之后，焊层会发生明显的降级。


3. PrimePACK模块介绍
PrimePACK是英飞凌公司最新开发的一款针对中大功率场合使用的IGBT模块，如图5，其不仅采用了全新的封装方式和芯片排列，而且全系列都采用了英飞凌公司最新一代的IGBT芯片IGBT4。使得模块有了出色的性能：更小的Rthch(壳对散热器热阻)，更高的工作接温150C，更小的模块内部寄生电感，以及方便的母排练解方式和并联结构[详细情况参照  ]。下面主要正对模块影响其可靠性的一些特性进行介绍。

                                 图5 PrimePACK™的外形

1．首先是它的芯片布局及安装孔图，如图6（红色的打X点表示安装孔位）。PrimePACK创新采用的这种多螺丝的安装方式，确保每个DCB衬底的四周都有4个螺丝进行紧固，从而保证铜基板与散热器之间有最佳的连接（金属对金属）从而大大减小的Rthch，间接较小了芯片的结温，从而提高模块的可靠性。
此外每个IGBT芯片都会有一个专门的反并联二极管，而不像IHM模块一样两个IGBT芯片共享一个二极管芯片。这样使得二极管芯片的热量分散了，从而实现更小的二极管的Rthjc（结对壳热阻），此外二极管的芯片放置完全和IGBT芯片对称，一改以往将IGBT芯片放在散热较好的区域而把二极管放在散热较差的位置的做法。这样进一步提高了二极管的散热性能。这样的芯片布局大大强化了二极管的散热，从而在使得PrimePACK在能量回馈（整流）的场合有着更好的热性能。

                                             图6 PrimePACK™的芯片布局

2．PrimePACK目前采用的都是英飞凌公司的第四代IGBT中的E4芯片。这款芯片采用的是沟槽栅-场终止技术，是专门针对中功率优化的芯片。在保证饱和压降和第三代E3芯片比基本不变的，关断损耗略有降低，此外关断的软特性也有所提高。模块中采用的反并联二极管也都是采用的最新的Emittor –control4二极管，其反向恢复软特性比上一代大大提高了。除此之外，所有IGBT芯片和二极管芯片的最高工作结温都达到了150度，比上一代升高了25度。得益于芯片表面材料的改善和连接线焊接技术的体高，同样在125度结温下的IGBT4的功率周次能力是上一代芯片的4倍（如图7，8）。如果都工作在最高结温（IGBT4:150度，IGBT3:125度），则IGBT4的功率周次能力也比上一代提高2倍。

                        图7 1200V/1700V IGBT2/IGBT3的功率周次曲线

                                 图8 1200V/1700V IGBT4的功率周次曲线

3. PrimePACK针对封装技术做了改进来提高模块的温度周次能力：采用了增强型Al2O3，从而减小了衬底和铜基板之间的热膨胀系数差；在衬底和铜基板之间的焊层采用了spacer技术来控制焊层的厚薄均匀，并且改进了焊接技术；主端子倒衬底的焊接完全采用融化焊技术从而杜绝了这一点上的温度周次问题。这些新技术的采用，使得PrimePACK的温度周次能力比传统的IHM模块提高出很多，虽然其温度周次能力仍然不能达到牵引模块（AlSiC基板，AlN衬底）的等级，但是无疑PrimePACK是一种性价比更高的方案。

                                                图9 不同模块封装的温度周次曲线

4. PrimePACK可靠性在双馈系统中
结合1.5MW的设计指标来看一下PrimePACK在风力发电系统中的可靠性的提高。对比的两个模块是：FF1200R17KE3(IHM封装, E3芯片（第三代IGBT技术）) 和FF1000R17IE4 (PrimePACK封装，E4芯片)

风机变换器的功率由转差率决定。转差率越小，功率越小，但是输出频率越变小。这也有可能造成模块结温波动变大。所以一共选取了3个工作点：1Hz(接近零频), 10Hz（额定工作点）, 15Hz(过载工作点)进行结温波动计算。网侧逆变器输出由电网决定恒定为50Hz，芯片的温度波动相对较小，所以不予考虑。主要考虑转子侧模块的温度波动。三个工作点的电气参数如下：
表1 1.5MW双馈变频器运行参数

	1Hz point	10Hz point	15Hz point
Output voltage	10V	220V	320V
Ouput current	240A	580A	640A
Output frequency	1Hz	10Hz	15Hz
Power factor	-1	-0.8	-0.6
DC link voltage	1000V	1000V	1000V
Switching frequency	3kHz	3kHz	3kHz

考虑到转子侧需要两个模块并联，每个模块的输出电流只有实际输出电流的一半。通过英飞凌的仿真计算软件IPOSIM，来计算芯片在不同工况下的工作结温以及结温波动。假设两个模块的散热器热阻相同，都为0.056K/W。计算结果如表2：

表2 FF1000R17IE4和FF1200R17KE3热仿真结果

	FF1000R17IE4		FF1200R17KE3
	IGBT (Tjmax/ΔT)	Diode (Tjmax/ΔT)	IGBT (Tjmax/ΔT)	Diode (Tjmax/ΔT)
1Hz point	70℃/10℃	85℃/23℃	74℃/9℃	106℃/33℃
10Hz point	95℃/11℃	104℃/18℃	98℃/8℃	122℃/19℃
15Hz point	98℃/9℃	107℃/15℃	102℃/7℃	125℃/15℃

从计算结果可以看到网侧变换器中二极管的绝对温度和温度波动都比二极管大，这主要由于在上述工况中网侧变换器都处在整流过程中。二极管的功率周次条件会比较恶劣，是功率周次的瓶颈。根据图7及图8，并更具温度温度降额查出二极管的功率周次如表3所示：

表3 FF1000R17IE4和FF1200R17KE3的功率周次比较

	FF1000R17IE4	FF1200R17KE3
1Hz point	9.0E+8	8.5E+6
10Hz point	5.1E+9	3.0E+8
15Hz point	1.6E+10	1.0E+9

可见PrimePACK在全功率段内都有更为出色的功率周次能力，最薄弱的二极管的功率周次能力成数量级提高。如果充分利用PrimePACK的热性能使得模块在最恶劣工况下，最高芯片结温达到150度。则PrimePACK所使用的散热器热阻可以增大到0.155K/W。这样的情况下PrimePACK芯片的温度，及功率周次估算如表4所示。PrimePACK仍然有很更高的功率周次能力，特别在接近同步速的场合。

表4 FF1000R17IE4在极限情况下的功率周次能力

	Diode (Tjmax/ΔT)	Power cycling times
1Hz point	104℃ / 23℃	3.0E+8
10Hz point	143℃ / 18℃	8.0E+8
15Hz point	150℃ / 15℃	3.0E+9

5. 结论
PrimePACK作为英飞凌推出的新一代的大功率IGBT模块，采用了的全新的封装技术，以及芯片技术。这使得PrimePACK模块的可靠性大大提高。尤其在双馈风力发电系统中，由于其转子侧变换器特殊的工况，PrimePACK模块的寿命能大大提高，尤其是功率周次，并且散热系统的简化也成为可能。

Reference:
[1] Z. Liang, Infineon Technologies: “PrimePACK™ – The New High Power IGBT Module Concept”, PCIM China 2007, 2007

[2] M. Bartram, Institute for power Electronics and Electrical Drives: “Double-Fed-Machines in Wind-Turbine system”, 2004 35th Annucal IEEE Power Electronics Specialist Conference, 2004

[3] F. Blaabjerg, Aalborg University : “Power Electronics as key technology in wind turbines”, PCIM China 2005, 2005

[4] A. Volke, Infineon Technologies: “Improved cycling capability for modern IGBT Power Modules”, PCIM China 2008, 2008

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