IGBT模块CM1800DY-34S风电变流器组件设计(2)

2）功率组件工作在电机侧
如功率组件工作在直驱型风力发电机组电机侧时，输出电流频率较低，对其进行损耗仿真时必须考虑结温的波动。结合国内某型号电机提出的要求，输出频率为9.5Hz时输出电流为950Arms，热损耗仿真结果如下表所示。器件的总损耗为4555.82W，IGBT的平均结温为109.53℃，最高结温为117.91℃；FWD的平均结温为118.16℃，最高温为133.41℃.在过载情况下，输出频率为12.35Hz，输出电流为1235A时，IGBT最高结温为138.07℃，二极管最高结温为147.82℃，仍能满足设计要求。
Case 3@3Arm: Converter, Vcc=1100V, PF=-0.9, Ts=80℃
fc=3kHz, Rgon=0.18ohm, Rgoff=1ohm. 组件工作在电机侧时功率组件的损耗随输出电流变化引起的损耗变化如下图所示，在1000A的额定输出条件下器件的总损耗约为4800W，在过载110%条件下器件的总损耗约为5300W，在过载120%条件下器件的总损耗约为5800W。总损耗略小于功率组件工作在电网侧。 功率组件中IGBT和FWD的结温随输出电流变化引起的变化如下图所示，在1000A的额定输出条件下，IGBT的平均结温和最高结温分别约为112℃和120℃，FWD的平均结温和最高结温约为120℃和136℃；在过载110%条件下，IGBT的平均结温和最高结温分别约为114℃和123℃，FWD的平均结温和最高结温约为125℃和141℃；在过载120%条件下，IGBT的平均结温和最高结温分别约为118℃和128℃，FWD的平均结温和最高结温约为129℃和146℃。因此功率组件可以满足工作在发电机侧的要求。 为了确定器件在不同输出频率下的最大输出电流能力，又进行了开关频率分别为2/2.5/3KHz条件下的损耗仿真，如下图所示。在输出电流过载125%条件下，如开关频率为3kHz时，过载125%条件下允许的最低输出频率为11Hz；如开关频率为2.5kHz时，过载125%条件下允许的最低输出频率为6.5Hz；如开关频率为2kHz时，过载125%条件下允许的最低输出频率为3.3Hz。 综上所述，该器件的技术指标可以满足应用于1MW全功率变流器功率组件的要求。
水冷散热器设计：
CM1800DY-34S构成的功率组件工作在电网侧时，在额定工作电流为1000Arms时损耗为5186.44W；工作在电机侧时，在额定工作电流为1000Arms时损耗为5000W。IGBT中共有20组芯片，其分布如下图所示，考虑一定裕量，按每个芯片发热为265W提水冷散热器的设计要求。 考虑到功率组件的整体布置，对器件安装及水冷板外形要求如下图所示，进出水口均在水冷板左侧。 考虑工作环境温度，及满足与Skiip的兼容性，要求水冷板的技术条件如下：
额定水流量：8L/min
进水水温：≤50℃
进出口压差：≤0.3bar
工作压力：≤3bar
测试压力：10bar/60s
基板最高温度：≤75℃
冷却液：50%纯净水+50%乙二醇