Una dintre provocările majore ale secolului 21 este controlul încălzirii globale pentru a limita consecințele schimbărilor climatice. Acest obiectiv va putea fi atins numai prin reducerea drastică a emisiilor de gaze cu efect de seră în prima jumătate a secolului. Pentru a avea o perspectivă, doar în anul 2019, producția de energie și de căldură a fost cel mai mare contributor la efectul de seră, reprezentând aproape o treime din emisiile la nivel global. Prin urmare, este esențial și urgent să se activeze o infrastructură energetică curată pentru reducerea emisiilor. În această strădanie, tehnologia eoliană este un actor-cheie și este deja în frunte.
În ultimii 20 de ani, dimensiunea turbinelor eoliene s-a triplat, iar puterea lor a crescut enorm, urmând să depășească în curând pragul de 15 MW. Prin urmare, atât cererea, cât și nevoia de convertoare de energie eoliană foarte avansate continuă să crească. Funcționând în condiții de mediu dificile, aceste convertoare necesită un nivel ridicat de fiabilitate și robustețe pentru a asigura un ciclu de viață lung. În plus, este nevoie de o densitate de putere ridicată pentru a maximiza puterea de ieșire, limitând în același timp numărul de componente din dulapul de control (cabinet). În plus, capacitățile mari de producție sunt esențiale pentru a susține cererea în continuă creștere. În sfârșit, modernizarea invertoarelor existente ajută la reducerea atât a riscurilor, cât și a timpului de dezvoltare.
PrimePACKTM de la Infineon cu tehnologie IGBT5.XT (FF1800R17IP5) este o soluție excelentă pentru a răspunde acestor provocări. De la lansarea sa în 2016, acesta a devenit modulul standard ales în convertoarele eoliene. Combinația sa de tehnologii avansate de interconectare și proiectarea îmbunătățită a cipului oferă o fiabilitate remarcabilă, precum și o densitate de putere ridicată.[1]
Având în vedere provocările globale, îmbunătățirile suplimentare sunt întotdeauna binevenite. Ținând cont de condițiile specifice de funcționare ale sistemelor moderne de convertoare eoliene, Infineon a dezvoltat două module de putere IGBT optimizate special pentru aceste condiții. Noile module permit un nou pas spre o densitate de putere mai mare, oferind în același timp și avantajele modulului de putere IGBT FF1800R17IP5 PrimePACKTM.
În articol, descriem componentele esențiale ale acestui proces de optimizare și comentăm punctele centrale ale dezvoltării. În plus, sunt evidențiate avantajele rezultate în ceea ce privește performanța convertoarelor eoliene. În cele din urmă, discutăm pe scurt despre cum pot beneficia și alte aplicații de cea mai recentă completare a portofoliului PrimePACKTM de la Infineon.
Luând în considerare sistemele de convertoare eoliene și industria respectivă, se poate observa acum o tendință clară atât spre o proiectare modulară a blocurilor de convertoare cât și spre standardizare. Această abordare susține nevoia tot mai mare de putere nominală, menținând în același timp cicluri scurte de dezvoltare. De asemenea, ea permite reutilizarea multiplă a aceluiași bloc de putere pentru turbine eoliene cu puteri nominale mai mari. Cu toate acestea, din cauza spațiului limitat din nacela unei turbine eoliene, creșterea numărului de dulapuri de control ar putea să nu fie posibilă. Prin urmare, trebuie îmbunătățită densitatea de putere a fiecărui bloc.
Figura 1: Topologia unui sistem de turbină eoliană bazat pe un convertor complet evaluat. (© Infineon)
Cerințele electrice ale unui convertor MSC (machine-side converter – convertorul de pe partea generatorului) și ale unui convertor LSC (line-side converter – convertorul de pe partea rețelei) diferă semnificativ într-un sistem de convertor eolian, ceea ce reprezintă un alt aspect cheie care trebuie luat în considerare. Acest lucru este valabil în special pentru un sistem de convertor complet evaluat, așa cum este cel ilustrat în figura 1. Datorită fluxului de putere de la generator la legătura DC (DC link), diodele din MSC sunt supuse celei mai mari sarcini. Pe de altă parte, în LSC, fluxul de putere către rețeaua de curent alternativ (AC) face ca IGBT-urile să fie cele mai solicitate cipuri din modulul de putere.
Având în vedere aceste cerințe diferite, au fost dezvoltate două module de putere ajustate diferit pentru a optimiza fiecare modul în funcție de nevoile specifice ale convertorului de pe partea generatorului și, respectiv, ale convertorului de pe partea rețelei, bazându-se, în același timp, pe modulul de referință FF1800R17IP5. Două etape majore în definirea și optimizarea acestor două module de putere sunt discutate în secțiunea următoare.
Figura 2: Compromisul cipului IGBT5 în vederea reducerii pierderilor dinamice pentru cele două module dedicate LSC și MSC. (© Infineon)
Pentru aplicațiile eoliene, frecvențele înalte de comutare sunt benefice pentru a reduce pierderile generatorului și pentru a menține un filtru pe partea rețelei, cu o dimensiune rezonabilă în dulapul convertorului. În general, frecvențele înalte de comutare sunt semnificativ mai mari decât în cazul invertoarelor de uz general pentru acționarea motoarelor cu puteri nominale similare.
În acest context, este important de reținut că, în orice tehnologie IGBT, există întotdeauna un compromis între pierderile de comutare și cele de conducție (vezi figura 2). În cipul IGBT5 optimizat, acest compromis a fost modificat pentru a suporta frecvențe mai ridicate de comutare prin transferarea compromisului către mai puține pierderi de comutare. Deoarece atât LSC, cât și MSC sunt afectate de pierderile mari de comutare ale IGBT-ului, soluția de compromis a fost utilizată în ambele module, vizând cele două poziții diferite ale convertorului. Creșterea rezultată a VCE,sat a fost compensată parțial prin măsuri de proiectare suplimentare [2,3,4]. Optimizarea rezultată a IGBT-ului este reprezentată în figura 2.
Figura 3: Diverse proporții ale dimensiunii cipului pentru modulele dedicate LSC și MSC în comparație cu modulul de referință. (© Infineon)
Ca o etapă suplimentară, optimizarea dedicată a convertoarelor a permis o îmbunătățire suplimentară a performanțelor modulelor. În acest sens, au fost modificate dimensiunile cipurilor pentru a reduce pierderile prin conducție și, în plus, pentru a îmbunătăți conductivitatea termică a cipurilor care se confruntă cu cea mai mare sarcină. După cum se arată în figura 3, raportul dimensiunilor cipurilor a fost modificat în favoarea unui IGBT mai mare pentru modulul dedicat LSC, în timp ce în modulul dedicat MSC a fost inclusă o diodă mai mare. Aceste două îmbunătățiri de proiectare au dus la introducerea a două module denumite FF2000XTR17IE5, optimizat pentru LSC, și FF1700XTR17IE5D, optimizat pentru MSC.
Figura 4: O simulare a îmbunătățirii puterii unui sistem de energie eoliană cu module dedicate LSC/MSC în raport cu modulul de referință. (© Infineon)
Figura 4 evidențiază avantajele acestor două module de putere dedicate în contextul unui sistem de convertoare eoliene exemplar. Condițiile de operare corespunzătoare, pe care se bazează această simulare, sunt prezentate în tabelul 1. Este important de remarcat că sporirea semnificativă a puterii convertorului în raport cu modulul de referință din figura 4 a fost realizată prin simpla schimbare a modulelor de putere și lăsând neatinse toate celelalte componente ale convertorului și ale sistemului de control.
| Tensiunea DC link VDC | 1200 V | |
| Frecvența de comutație fsw | 5 kHz (DPWM1)* | 5 kHz (DPWM0)* |
| Indice de modulație M | 0.9 | 1 |
| Factor de putere |cos(ϕ)| | 0.9 (capacitiv) | 0.8 (inductiv) |
| Curent nominal Ir | 900 A | 1000 A |
| Putere activă nominală Pr | 1 MW | |
| Rezistența termică a radiatorului față de mediul ambiant Rth,ha | 21 K/kW | |
| Temperatura lichidului de răcire Tliquid | 40°C | |
Tabelul 1: Parametrii de referință ai sistemelor LSC și MSC.
*Nomenclatura DPWM în conformitate cu [5].
În acest caz de utilizare, temperatura maximă a joncțiunii virtuale Tvj,max este parametrul de proiectare limitativ în ceea ce privește puterea posibilă a convertorului. Pentru toate modulele PrimePACKTM cu tehnologie IGBT5.XT, această temperatură maximă este de 175°C prin proiectare. Totuși, în această simulare, este limitată la 145°C pentru a permite marje de proiectare pentru condiții de suprasarcină și de defecțiune.
Cerințele legate de ciclul de viață, pentru care trebuie să se ia în considerare solicitarea de încărcare ciclică a modulelor semiconductoare de putere, reprezintă un alt parametru de proiectare tipic pentru sistemele de energie eoliană. Acest aspect este deosebit de important din cauza frecvențelor fundamentale potențial scăzute ale generatorului în combinație cu condițiile de vânt variabile din jurul unei turbine eoliene. Cu toate acestea, pentru PrimePACKTM cu tehnologie IGBT5.XT, cum ar fi modulele menționate în prezentul articol, acest aspect nu reprezintă o problemă, chiar și în cazul aplicațiilor cu sarcini puternic alternante. Aici, interconectarea .XT și tehnologiile cipurilor IGBT5 permit o performanță remarcabilă în ceea ce privește robustețea la sarcini ciclice [6].
Figura 5: Temperaturi ale semiconductorilor LSC pentru diferite condiții de operare pentru modulul de referință (stânga) și modulul dedicat LSC (dreapta). Zona roșie denotă temperaturi de joncțiune peste limita de proiectare [4]. (© Infineon)
Figura 6: Temperaturi ale semiconductorilor MSC pentru diferite condiții de operare pentru modulul de referință (stânga) și modulul dedicat MSC (dreapta). Zona roșie indică temperaturi de joncțiune peste limita de proiectare [4]. (© Infineon)
În concluzie, cele mai recente completări ale Infineon la portofoliul PrimePACK™ FF2000XTR17IE5 și FF1700R17IE5D susțin modernizarea proiectelor de convertoare eoliene la niveluri de putere mai mari. Până la urmă, aceste noi produse vor permite clienților noștri să reducă timpul și costurile de dezvoltare, oferind în același timp robustețea remarcabilă a tehnologiei IGBT5.XT.
Referințe:
[1] Infineon Technologies AG. “PrimePACKTM3+ B-series module FF1800R17IP5 datasheet,” 2020, v.3.5.
[2] T. Laska et al. “The Field Stop IGBT Concept with an Optimized Diode,” 2000, PCIM, Nuremberg, Germany.
[3] A. Stegner et al. “Next Generation 1700V IGBT and Emitter Controlled Diode with .XT technology, 2014,” PCIM, Nuremberg, Germany.
[4] M. Morisse et al. “System Evaluation and Optimization of Wind Converters Using Dedicated Power Modules for Line-side and Machine-side Converters,” 2023, PCIM Nuremberg, Germany.
[5] D. Grahame Holmes et al. “Pulse Width Modulation for Power Converters,” 2003, IEEE Press, New Jersey, USA.
[6] T. Methfessel et al. “Enhanced Lifetime and Power-Cycling Modelling for PrimePACK™.XT Power Modules,” 2020, PCIM Europe digital, Germany.
Autori:
Marcel Morisse ;i Michael Busshardt
Infineon Technologies
Despre autori:
Marcel Morisse
Cu o experiență în inginerie electrică și un doctorat axat pe fiabilitatea convertoarelor eoliene, Marcel s-a alăturat Infineon ca inginer de aplicații de teren în 2018. În acest rol, el sprijină clienții industriali din domeniile de aplicare a energiei eoliene și a sistemelor de acționare în procesul de proiectare, ajutându-i să selecteze produsele potrivite. În plus, el oferă informații valoroase în dezvoltarea semiconductorilor de putere și a circuitelor integrate pentru drivere de poartă potrivite pentru următoarea generație de convertoare de putere.
Michael Busshardt
Având o pregătire în fizică și economie, precum și un doctorat axat pe teoria măsurătorilor cuantice, Michael a lucrat timp de 10 ani ca inginer de sistem pentru sisteme de litografie optică. S-a alăturat Infineon ca manager de proiect în 2021 și, în prezent, lucrează ca inginer responsabil cu definirea produselor pentru module semiconductoare de mare putere. În această funcție, Michael participă la definirea următoarei generații de module semiconductoare de putere pentru convertoare eoliene și sprijină clienții pe parcursul procesului de proiectare.