1.1 风电大功率趋势
随着碳中和成为天下各国新的共同目标，新能源快速发展成为一定，而风电在我国能源消费中的比重也在不断增加。与此同时，风电大兆瓦时期已经来临。尤其是海上风电，风电机组不论是施工难度还是投资额度均远高于陆上，若方案相同规模的风场，机组单机容量的增加可以减少机组数量，从而有效降落单位投资，减少本钱。在降本提效的哀求下，风机单机功率增大已成为不可逆转的趋势，单机功率增加可以有效降落风场的度电运营本钱。目前西门子歌美飒单机功率达到14MW，海内8-10MW样机也投入运行。
1.2 海内风电变流器发展趋势
大功率意味着大电流，为了减少系统本钱，海内1140V 风机系统越来越成为主流。将风机电压从传统的690V提升至1140V，同等功率的风机电流降落35%，大幅提升电气传动系统和输变电系统的效率，降落度电本钱，使得产品具备更强的市场竞争力。
对付1140V变流器，如果采取两电平拓扑，须要3.3kV电压等级IGBT模块，但是3.3kV器件的开关和导通损耗无法知足系统的效率及开关频率的哀求，同时价格也更贵。因此，采取1700V的SEMiX3p封装半桥模块组成三电平NPC或者ANPC拓扑是目前海内主流方案，目前全功率单机做到5.XMW，但是随着变流器功率增大，采取1700V的SEMiX3p封装半桥模块方案存在内管电压尖峰、模块并联均流、输出电流偏小须要系统级并联等问题。而赛米控推出的低杂散电感、易于并联、大电流、标准封装的ST20模块，为大功率风电变流器运用供应了新的设计思路。
2.ST20在大功率风电中运用的上风
2.1 杂散电感小，便于叠层母排设计
图1: SEMiX3p（左）和ST20（右）封装
采取1700V的SEMiX3p封装半桥模块搭建三电平NPC拓扑如图2，由于模块本身构造的限定，连接模块的正负端子时无法利用叠层母排设计。当输出电压和输出电流有不同的相位的时候，存在长换流回路，须要经由三个模块，杂散电感常日在200nH旁边，此时内管模块在关断时会产生比较高的尖峰电压。常日须要选择比较大的关断电阻值，驱动两级关断，有源钳位或者接管电路来办理这一问题，避免模块过压破坏，但这些方法会增加功率损耗及本钱。
采取ST20模块，输入输出端子连接大略，易于叠层母排设计，可以减小换流回路的杂散电感。同时，模块内部采取叠层设计，杂散电感较低（10nH）,约为SEMiX3p模块一半。长换流回路工况下，可以减小模块关断尖峰电压，乃至无需增大关断电阻，增加接管电路等方法，降落电路设计难度。
图2: 3L NPC由SEMiX3p 半桥搭建
图3: 3L NPC 由 ST20搭建
2.2 均流特性好,易于并联
图4: SEMiX3p内部布局
图5: ST20内部布局
由于单个模块电流的限定，大功率的风电变流器无论两电平还是三电平须要多个模块的并联利用。而并联模块是否均流，限定了变流器的输出容量。为了更好的均流效果，除了驱动及掌握的影响，IGBT模块外部构造如连接铜排等须要考虑对称均流设计，而模块内部布局同样会影响单个IGBT芯片的电飘泊布，终极影响系统输出能力。如图左边为SEMiX3p内部布局，可以看到高下管IGBT及Diode到功率端子并非等距对称设计。而右图ST20内部对称的布局设计，有更好的内部电流平衡特性。
图6: 短路测试
图7: 测试电流波形
图6为四个ST20并联搭建两电平测试平台，只管人为把短路线连接位置靠右，四个模块电流均流特性依然很好,不平衡度在5%以内。正常事情时，其均流特性表现会更好。
2.3 高功率密度，知足大功率和可靠性哀求
赛米控ST20适宜高功率大电流密度的哀求，是目前功率密度最大的封装，与1700V/600A的SEMiX3p比较，1700V/1200A的ST20电流密度从约6.4A/cm2提高到 8.6A/cm2。
MW级的变流器须要IGBT模块并联，并联的数量取决于IGBT的电流等级。为了得到相同的输出功率，利用SEMiX3p须要更多数量模块并联，更大面积的散热器，同时还有模块均流问题，增加构造和驱动设计难度及本钱。同时我们知道海上风电环境更恶劣，一旦涌现故障，掩护本钱和经济丢失更大，因此对可靠性的哀求也更高。而IGBT作为变流器的核心，减少IGBT、配套驱动、连接线缆、功率组件等数量可以提高变流器的可靠性。
我们大略比拟1140V 3L拓扑，目前市场上SEMiX3p在三电平运用中最大并联数为4个，基于此不同数量ST20和SEMiX3p并联可能达到的输出功率估算如下图。由于实际运用条件可能不同，比如开关频率，电压电流及散热系统等，因此下图仅供参考。
图8: 可能的方案
以1140V全功率4.8MW风电为例，机侧额定输出电流2900A有效值，常日须要8个600A的SEMiX3p并联，如前文提到，市场上目前三电平IGBT模块最大并联数为4个，因此当利用SEMiX3p时须要2组2.xMW系统经由均流电抗器再并联利用；而当利用ST20时无需系统并联，单系统利用4个模块并联即可，只须要一半的驱动及连接电缆，同时降落了系统并联繁芜性及本钱。
表1: 4.8MW/1140V全功率变流器
根据工况，用赛米控在线仿真平台SemiSel初步评估SKM1200GB17E4S2I4的结温。散热器热阻0.002k/W,其他参数见表1。
通过仿真结果可以看出，电机侧最高结温113.02℃，网侧最高结温117.18℃，离模块许可事情结温还有超过30℃余量，可进一步优化开关特性或者平衡散热和本钱。如果变流器功率达到10MW，利用赛米控ST20模块节省的驱动、电缆、功率组件等会更多，整机可靠性也会更高。
3.参考设计
图9: 基于ST20的两电平Stack
图9所示为基于ST20的两电平风电变流器Stack，双面水冷设计，单面四个SKM1200GB17E4S2I4并联。利用灵巧，三个Stack组成的变流器输出功率达到3MW；单个Stack双面也可以并联利用，增大功率。基于ANPC拓扑的三电平组件正在设计中。
4.总结
综上所述，风电大兆瓦时期来临，尤其是海上风电，风机单机功率增大已成为不可逆转的趋势。采取SEMiX3p半桥模块组成1140V三电平NPC或者ANPC是目前海内主流方案,但是随着变流器功率增大，这种方案存在内管电压尖峰、模块并联均流及输出电流偏小须要系统级并联等问题。而赛米控推出的低杂散电感、易于并联、大电流、标准封装的ST20模块，为大功率变流器供应了新的选择。利用ST20可降落系统设计的繁芜性及本钱，提高变流器的可靠性。因此，ST20模块非常适宜大功率风电变流器运用。
