問世之初，SKiiP4就搭配了最新技術的第4代IGBT及CAL4二極管芯片，芯片燒結(jié)技術的使用更是將其功率循環(huán)能力提升了一個級別。而集成的驅(qū)動和散熱器也使得用戶產(chǎn)品推向市場的時間極大的縮短。

通過采用最新的封裝和散熱技術及優(yōu)化內(nèi)部芯片排布，SKiiP4仍然是大功率風電變流器應用領域最有競爭力的產(chǎn)品之一。

1. 簡介

2020年九月，習近平主席在第七十五界聯(lián)合國大會上向全世界宣示：“中國力爭于2030年前二氧化碳排放達到峰值、2060年前實現(xiàn)碳中和”。自此之后，碳中和在中國成為了最火熱的話題之一。作為可再生能源中重要的力量，中國風電行業(yè)領軍企業(yè)迅速響應，在十月份的風能大會開幕式上聯(lián)合發(fā)布了《風電北京宣言》。提出為達到與碳中和目標實現(xiàn)起步銜接的目的，在十四五規(guī)劃中須為風電設定與碳中和國家戰(zhàn)略相適應的發(fā)展空間，保證年均新增裝機5000萬千瓦以上，2025年后中國風電年均新增裝機容量應不低于6000萬千瓦到2030年至少達到8億千瓦到2060年至少達到30億千瓦。很明顯，要達到這一目標并非易事。一方面，整個行業(yè)供應鏈在短期內(nèi)很難擴張產(chǎn)能。另一方面，如何在沒有補貼的條件下與更可靠，成本更低的熱電競爭也是巨大的挑戰(zhàn)。為了使風電具有更強競爭力，行業(yè)領軍企業(yè)一直致力于通過技術創(chuàng)新來降成本。在變流器級別，使用三電平拓撲來提升系統(tǒng)效率和交流輸出電壓，從而降低整個傳動鏈成本正在成為一種新的趨勢。

雖然三電平拓撲越來越流行，目前大批量出貨的風電變流器還是采用的更為成熟的兩電平拓撲。眾所周知，為了降低成本，變流器廠商幾乎已經(jīng)將半導體器件使用到了極限。那么，是否還有什么方式來進一步降低兩電平變流器中IGBT模塊的成本呢？答案是肯定的。

在全功率風電變流器中，對于IGBT模塊來說機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的工況是不同的。在機側(cè)，IGBT模塊中續(xù)流二極管承受的電流應力會高于IGBT。而在網(wǎng)側(cè)逆變環(huán)節(jié)，主要的電流應力會由IGBT來承受。

本文介紹了一種基于實際工況針對芯片優(yōu)化并集成最新技術高性能散熱器的智能功率模組SkiiP4。通過這種優(yōu)化組合，變流器客戶可以在保證長期可靠性的前提下獲得更低成本的IGBT方案。下文將呈現(xiàn)和分析該方案在典型3.0MW風電變流器應用中的仿真結(jié)果。

2. 風電變流器工況分析

在雙饋變流器中，由于要調(diào)節(jié)饋入發(fā)電機轉(zhuǎn)子的電流，從而保證定子輸出電壓和頻率恒定，機側(cè)通常需要處理2倍于網(wǎng)側(cè)的交流電流。而在全功率變流器中，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)的額定電流是非常接近的。基于此，全功率變流器的設計工程師基本會選取數(shù)量相同的同型號IGBT模塊用于機側(cè)和網(wǎng)側(cè)。

然而，如果我們對全功率變流器的實際工況進行深入的分析，可以發(fā)現(xiàn)，一些“半導體的浪費”是可以避免的。

以使用標準SKiiP4產(chǎn)品的3.0MW全功率變流器為例。按照前面提到的選型實踐，機側(cè)和網(wǎng)側(cè)每個橋臂都使用同樣型號的產(chǎn)品SKiiP2414GB17E4-4DUW。單個發(fā)電機繞組（1.5MW）對應變流器的工況如下：

表. 1.  仿真工況

使用賽米控最新版本的仿真軟件 SEMISEL V5進行熱仿真，結(jié)溫結(jié)果如下所示：

表. 2. 使用標準SKiiP4的典型3.0MW全功率變流器熱仿真結(jié)果

比較IGBT和二極管的最高結(jié)溫，可以看到在機側(cè)工況，IGBT的最高結(jié)溫只有105°C，比同在機側(cè)的二極管最高結(jié)溫低了35°C。這一結(jié)果提示在機側(cè)可以使用更少的IGBT芯片來降低成本。

同樣的情況在網(wǎng)側(cè)也存在，區(qū)別是可以通過減少二極管芯片的使用來降成本.

3. SKiiP4– 一款被市場證明且持續(xù)創(chuàng)新的產(chǎn)品

在過去十幾年中，數(shù)十萬片SKiiP4在現(xiàn)場持續(xù)可靠運行，為風電和新能源產(chǎn)業(yè)做出了突出貢獻。

圖 1：大功率智能功率模組 SKiiP4

如圖1所示，作為一款高集成度的智能功率模組，SKiiP4的驅(qū)動板和外殼通過一組精心設計的螺釘實現(xiàn)安全鎖定，并利用賽米控獨特的彈簧壓接技術實現(xiàn)驅(qū)動與 IGBT的連接。這種無焊接的裝配工藝使用戶在現(xiàn)場有維護或緊急維修需要時可以很容易的更換驅(qū)動板。

圖2 展示了SKiiP4內(nèi)部低雜散電感疊層母排結(jié)構(gòu)及母排與陶瓷基板的多重連接結(jié)構(gòu)。通過三層獨立疊層母排實現(xiàn)外部功率端子與 Al2O3陶瓷基板的連接，IGBT模組的靜態(tài)損耗和雜散電感可以最大程度的降低。

圖2：SKiiP4內(nèi)部疊層母排結(jié)構(gòu)

3.1 熱性能

熱性能是在SKiiP4產(chǎn)品設計之初重要的關注點。IGBT和二極管芯片被精心布局以便熱損耗能夠在陶瓷基板上均勻分布。除了芯片布局，高性能導熱硅脂的應用使SKiiP4在優(yōu)化的厚度條件下獲得良好的導熱性能。

圖3：SKiiP4使用高性能散熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

最新優(yōu)化SKiiP4熱性能的動作是圖3所示高性能Pin-Fin散熱器的使用。配合無銅底板技術和預涂高性能導熱硅脂，新散熱器將SKiiP4的功率密度帶到新的高度。

圖4：高性能散熱器 SKiiP4與標準SKiiP4性能比較

圖4展示了標準型號SKiiP2414GB17E4-4DUW和使用高性能散熱器的SKiiP2414在如下工況的性能比較：fc=2.5kHz,VDC=1150V, cos phi = 0.85 &Tw=55°C. 可以看到，通過使用高性能散熱器可以讓用戶多獲得 25% 的功率輸出能力。

3.2 可靠性

一般的工業(yè)標準IGBT模塊使用焊錫來實現(xiàn)銅底板與陶瓷基板的連接。在應用中IGBT和二極管芯片會產(chǎn)生較大熱損耗，銅底板和陶瓷基板這兩種材料間由于熱膨脹系數(shù)（CTE）的不同會承受較大的熱機械應力。隨著時間推移，焊錫的連接質(zhì)量會出現(xiàn)降級。這就是所謂的IGBT模塊溫度循環(huán)效應。由于采用無銅底板設計，SKiiP4不會出現(xiàn)這種失效模式。

任何賽米控IGBT模塊使用的先進封裝技術都可以應用于SKiiP4。芯片與陶瓷基板間連接使用的銀燒結(jié)技術顯著的提升了SKiiP4的壽命和可靠性。而對于大多數(shù)標準IGBT模塊來說，這部分連接所使用的焊接工藝是常見的早期失效原因之一。

圖5：使用燒結(jié)工藝的SKiiP4具有焊接模塊6倍的功率循環(huán)能力

如圖5所示，采用燒結(jié)技術的 SKiiP4在80度結(jié)溫波動條件下功率循環(huán)能力約為標準焊接模塊的6倍。這一優(yōu)勢使得SKiiP4在負載波動大的應用中，如伺服電機，電梯尤其是風電應用中成為用戶的首選產(chǎn)品。

對于功率循環(huán)能力要求更高的應用，SKiiP4也有使用鋁包銅綁定線技術的 SKiiP4版本供用戶選擇。

圖 6：鋁包銅綁定線的橫截面示意

圖6展示了這一工藝的細節(jié)，與標準綁定線不同的是綁定線內(nèi)層用的是銅，外層則使用鋁包裹從而無需使用特殊工藝就可以實現(xiàn)芯片表面和陶瓷基板的連接。如圖7所示，配合上精心設計的綁定線裝配參數(shù)，鋁包銅工藝在結(jié)溫波動80度的條件下可進一步將模塊的功率循環(huán)能力提升4倍。

圖 7：鋁包銅與標準綁定線技術的可靠性對比

通過采用這些新近出現(xiàn)的核心技術，SKiiP4平臺產(chǎn)品在負載波動頻繁的應用中對比工業(yè)標準模塊具有可靠性及耐用性方面的巨大優(yōu)勢。

4. 芯片優(yōu)化 SKiiP4 – 通過技術創(chuàng)新降本的成功案例

上文提到，在全功率風電變流器中可以基于工況重新配置IGBT模塊內(nèi)部芯片來實現(xiàn)最優(yōu)的性能和成本。圖8展示了這種配置的可能性。

圖 8：基于工況進行IGBT模塊內(nèi)部芯片優(yōu)化

SKiiP4內(nèi)部特有的爪型母排設計使得該智能功率模塊在 IGBT和二極管芯片布局層面具有一定的靈活度。利用這種靈活度，SKiiP4功率部分二極管的配比可以如圖9所示逐步提高到52% 。

圖 9：SKiiP4芯片配置靈活性

在一個標準SKiiP2414GB17E4-4DUW模塊中，IGBT芯片和二極管芯片的額定電流均為2400A。而基于工況進行優(yōu)化的版本中，我們可以為機側(cè)模塊SkiiP2414GB17E4-4DUK-Gen配置 2100A的IGBT和 2700A的二極管。而為網(wǎng)側(cè)模塊SkiiP2414GB17E4-4DUK-Grid配置 2700A的IGBT和2100A的二極管。通過這種配置，在機側(cè)網(wǎng)側(cè)不同工況下，SKiiP4內(nèi)部IGBT和二極管芯片的電流能力都可以得到充分利用，且芯片的結(jié)殼熱阻Rth(j-c)也處于最優(yōu)化的情況。

配合最新的高性能散熱器，芯片優(yōu)化版本SKiiP4 可以將其所搭載芯片的電流能力充分發(fā)揮，提供給用戶前所未有的高功率密度。這也意味著用戶可以使用成本相同的IGBT模塊實現(xiàn)更高功率輸出的變流器。

使用表1中所示工況，芯片優(yōu)化版本SKiiP4在典型3.0MW全功率變流器應用的熱仿真結(jié)果如下

表. 3. 使用芯片優(yōu)化SKiiP4的典型3.0MW全功率變流器熱仿真結(jié)果

與表2中仿真結(jié)果對比分析，可以得到如下信息：

- 優(yōu)化前，機側(cè)二極管的最高結(jié)溫為140°C；優(yōu)化后，機側(cè)二極管的最高結(jié)溫從降為113°C

- 優(yōu)化前，機側(cè) IGBT 最高結(jié)溫與二極管最高結(jié)溫差縮小為 35°C；優(yōu)化后機側(cè) IGBT 最高結(jié)溫與二極管最高結(jié)溫差縮小為 19°C

- 優(yōu)化前，網(wǎng)側(cè)IGBT的最高結(jié)溫為138°C；優(yōu)化后，機側(cè)二極管的最高結(jié)溫從降為113°C

- 優(yōu)化前，網(wǎng)側(cè) IGBT 最高結(jié)溫與二極管最高結(jié)溫差縮小為 33°C；優(yōu)化后機側(cè) IGBT 最高結(jié)溫與二極管最高結(jié)溫差縮小為 24°C  

- 經(jīng)過優(yōu)化，4半橋并聯(lián)的SKiiP4在3.0MW全功率變流器應用中有足夠裕量, 用戶實際可以使用該模塊設計實現(xiàn) 3.XMW

可以進一步提高芯片優(yōu)化版本SKiiP4功率密度的方法如圖10所示。

圖10：散熱器雙面裝配 SkiiP4

通過這種散熱器雙面裝配的設計，用戶可以得到如下益處：

- 更為緊湊的變流器整體

- 更少（成本更低）的水冷接頭

- 雙面裝配SKiiP4的直流端子物理距離近，兩個模塊分別工作在機側(cè)和網(wǎng)側(cè)時可以有效降低紋波電流損耗

- 若兩模塊并聯(lián)使用，交流銅排易于設計

5. 結(jié)論

1)    基于工況進行IGBT模塊芯片優(yōu)化可以更有效的發(fā)揮半導體性能，從而達到降低風電變流器整體成本的目的。

2)    配備高性能散熱器的芯片優(yōu)化版本SKiiP4為3.XMW全功率變流器提供了性價比極高的解決方案。