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風(fēng)電變流器作為風(fēng)能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)樞紐，是影響風(fēng)電機(jī)組穩(wěn)定可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。然而機(jī)組長時(shí)間、大范圍頻繁的隨機(jī)出力，致使變流器持續(xù)承受劇烈的熱應(yīng)力沖擊，成為故障率最高的部件之一。

為了滿足風(fēng)電機(jī)組大容量變流器功率模塊的應(yīng)用需求，目前普遍采用多芯片并聯(lián)來提高功率等級，并聯(lián)芯片間電流分布不均導(dǎo)致模塊內(nèi)部溫度分布存在差異，長時(shí)間尺度下薄弱環(huán)節(jié)凸顯，縮短模塊整體使用壽命。因此，準(zhǔn)確分析和掌握功率模塊內(nèi)部熱應(yīng)力分布，對改進(jìn)風(fēng)電變流器熱管理控制策略、優(yōu)化封裝散熱設(shè)計(jì)、提高可靠性具有重要意義。

目前國內(nèi)外學(xué)者對單芯片和多芯片IGBT模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)溫評估及其熱分布已有較多研究。

• 有學(xué)者從封裝材料和結(jié)構(gòu)對不同部位溫度和熱應(yīng)力分布的影響進(jìn)行研究。
• 有學(xué)者基于芯片獨(dú)立傳熱的假設(shè)提出了考慮電熱耦合的結(jié)溫迭代計(jì)算方法。
• 有學(xué)者考慮芯片間熱耦合的影響，表明計(jì)算模塊內(nèi)部結(jié)溫時(shí)非邊緣位置芯片應(yīng)重點(diǎn)考慮。
• 有學(xué)者從芯片數(shù)量對模塊內(nèi)部溫度分布影響進(jìn)行了研究與優(yōu)化。

然而上述文獻(xiàn)都是基于穩(wěn)態(tài)電流均勻分布假設(shè)，并未考慮雜散參數(shù)差異對動(dòng)態(tài)電流分布的影響，基于模塊平均損耗分布的計(jì)算結(jié)果無法準(zhǔn)確反映內(nèi)部溫度分布，難以表征變流器功率模塊內(nèi)部的薄弱環(huán)節(jié)。IGBT開關(guān)頻率較高，模塊內(nèi)部雜散電感對并聯(lián)芯片間電流分布的影響不容忽視。

有學(xué)者通過電磁域仿真發(fā)現(xiàn)了六芯片并聯(lián)的功率模塊電流分布存在不均流的現(xiàn)象。有學(xué)者研究表明雜散電感是導(dǎo)致并聯(lián)芯片不均流的主要原因，但未考慮其對模塊內(nèi)部熱分布的影響。因此有必要進(jìn)一步分析雜散電感對功率模塊內(nèi)部動(dòng)態(tài)熱分布的影響規(guī)律。

輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)）、重慶科凱前衛(wèi)風(fēng)電設(shè)備有限責(zé)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(shù)學(xué)報(bào)》上撰文（論文標(biāo)題為“考慮雜散電感影響的風(fēng)電變流器IGBT功率模塊動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算及熱分布”），首先針對某一雙饋風(fēng)電變流器采用功率半橋模塊物理結(jié)構(gòu)，建立考慮模塊內(nèi)部封裝雜散電感的等效電路模型，驗(yàn)證了功率模塊內(nèi)部電流分布不均的機(jī)理。

圖1 雙饋風(fēng)電變流器及其IGBT模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖9 考慮雜散電感的功率模塊內(nèi)部動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算模型

其次，理論推導(dǎo)雜散電感分布參數(shù)與開通損耗的定量關(guān)系，建立考慮模塊內(nèi)部芯片間熱耦合的熱網(wǎng)絡(luò)模型，基于電熱耦合理論提出了考慮雜散參數(shù)影響的IGBT模塊內(nèi)部動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算方法并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖10 雙脈沖實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)

圖11 風(fēng)電變流器及其控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

圖12 機(jī)側(cè)變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電氣結(jié)構(gòu)

最后，以某1.5MW雙饋風(fēng)電機(jī)組為例，分析了實(shí)際運(yùn)行工況下變流器IGBT功率模塊內(nèi)部熱分布規(guī)律，并與傳統(tǒng)結(jié)溫計(jì)算模型進(jìn)行比較。結(jié)論如下：

1）由于二極管的續(xù)流作用，上橋臂開通時(shí)并聯(lián)芯片均流效果較好；而下橋臂并聯(lián)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(guān)系，提出考慮封裝雜散電感影響的功率模塊內(nèi)部動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算方法，通過風(fēng)電變流器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)測得殼溫分布結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了所提計(jì)算方法的有效性。

3）雙饋風(fēng)電機(jī)組機(jī)側(cè)變流器功率模塊內(nèi)部下橋臂各芯片間溫度分布差異明顯，芯片Q6結(jié)溫均值、波動(dòng)幅值均最大，相比其他芯片高出5℃左右，是模塊內(nèi)部的熱薄弱環(huán)節(jié)；而傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)平均結(jié)溫計(jì)算模型計(jì)算結(jié)果偏低。

4）并聯(lián)各芯片間結(jié)溫均值差異隨著風(fēng)速的增加逐漸增大；而結(jié)溫波動(dòng)幅值差異在同步風(fēng)速點(diǎn)附近達(dá)到最大，差值約為10℃。