鑑於迫切的環境需求，我們必須確保清潔能源基礎設施的啟用，以減少碳排放對環境的負面影響。在這項至關重要的舉措中，風力發電技術扮演了關鍵角色，並已處於領先地位。在過去的20年中，風力渦輪機的尺寸已擴大三倍，其發電功率大幅提升，不久後將突破15MW的大關。因此，先進風能變流器的需求不斷增長。這些變流器在惡劣境條件下運作，需要高度的可靠性和堅固性，以確保較長的使用壽命。為了在限制機櫃內元件數量的情況下最大化功率輸出，我們需要採用高功率密度設計。鑑於需求的持續成長，我們的大規模生產能力顯得特別關鍵通過現有逆變器設計的升級，不僅能夠降低風險，還能縮短開發時間，最終達到優化設計和開發流程的目的。

英飛凌PrimePACK™產品採用IGBT5.XT技術（FF1800R17IP5），堪稱應對各項挑戰的卓越解決方案。自2016年發布以來，該模組已成為風力變流器中的標準選擇。先進的互連技術與最佳化的晶片設計，不僅確保了卓越的可靠性，同時也實現了高功率密度的特性。

儘管如此，鑑於全球面臨的挑戰，我們始終持續地進行改進。鑑於現代風力變流器系統的特定運作條件，英飛凌針對性地研發了兩款最佳化的IGBT功率模組。新模組在保持FF1800R17IP5 PrimePACK™ IGBT功率模組優點的同時，進一步實現了更高功率密度。

在本文中，我們詳細描述了最佳化過程的關鍵組件，並對開發過程中的重點進行了評論。此外，風能變流器性能的提升效果在成果中得到了鮮明的體現。最後，我們將簡要探討其他應用同樣可以從英飛凌PrimePACK™產品系列新增內容中獲益的途徑。

在考慮風能變流器系統及其相關產業時，目前可以明顯觀察到變流器組件向模組化設計及標準化的趨勢發展。這種方法在滿足日益增長的功率需求的同時，也能有效縮短開發週期。它還支援相同功率組件的重複多次利用，適用於具備更高功率等級的風力渦輪機。由於風力渦輪機機艙內空間有限，因此增加機櫃數量可能不現實。因此，為提高各個組件的功率密度是必要的。

在風能轉換系統中，機側交流變流器（MSC）與網側交流變流器（LSC）的電氣需求有明顯不同，這是需要重點考慮的另一個重要方面。對圖1所展示的全額定變流器系統而言，此特性表現得特別明顯。由於功率流從發電機至直流母線，直流母線中的二極體承受最大負載。另一方面，在LSC中，由於電能流向交流電網，IGBT成為功率模組內承受應力最大的晶片。

鑑於需求存在差異，我們開發了兩個針對性優化的功率模組，分別針對發電機側和電網側逆變器進行最佳化，以便更好地滿足其特定需求，並基於FF1800R17IP5標準模組進行設計。以下部分將深入探討定義並優化這兩個功率模組的兩個關鍵步驟。

對於風能應用，採用高開關頻率能夠降低發電機損耗，並有助於維持變流器櫃內電網側濾波器的合理尺寸。通常情況下，與具有相似功率等級的通用電機驅動逆變器相比，開關頻率明顯要高得多。

在考慮IGBT技術的特定情況下，應注意到開關損耗與導通損耗之間往往需要權衡（見圖2）。在優化的IGBT5晶片中，為了支援更高的開關頻率，我們調整了折衷曲線，使其偏向於降低開關損耗的方向。鑑於LSC和MSC均需承受IGBT的高開關損耗，為此對這兩個模組進行了優化調整，以應對位於兩個不同位置的變流器需求。

由於VCE飽和電壓的增加，我們通過採取額外的設計措施，實現了對其升高的部分補償[2,3,4]。圖2呈現了IGBT的最佳化結果。

為了針對變換器進行專門最佳化，從而進一步提高模組的性能表現，我們調整了晶片的尺寸，以減少晶片的通態損耗，並針對承受最重負載的晶片，進一步提升了其熱導率。如圖3所示，LSC專用模組的晶片尺寸比例傾向於採用更大的IGBT，而MSC專用模組則集成了較大的二極體。為了優化LSC而進行的這兩項設計改進，引入了兩個模組：針對LSC進行最佳化的FF2000XTR17IE5模組，以及針對MSC進行最佳化的FF1700XTR17IE5D模組。

圖4展示了在風力變流器系統的典型應用中，這兩個專門設計功率模組的優勢所在。表1列出了仿真依據的相應操作條件。需要注意的是，與圖4所示的標準模組相比，變流器功率的顯著增加僅通過更換功率模組來實現，變流器和控制的其他元件均保持不變。

在此使用情境中，最大虛擬結溫（Tvj,max）是限制變流器功率的設計參數。所有採用IGBT5.XT技術的PrimePACK™模組，在設計上最大溫度限定為175°C。然而，在此次模擬中，為了給過載和故障條件留出設計餘裕，溫度被限制在145°C。

在風能系統設計中，生命週期需求作為典型的設計參數，需要考慮功率半導體模組所承受的循環負載應力，以確保系統穩定性。鑑於風力發電機周圍風況的變化，以及與潛在低頻發電機頻率的結合，這一因素尤為重要。然而，對於採用IGBT5™ XT技術的PrimePACK™®產品，例如本文提到的模組，在負載頻繁變化的嚴酷應用中，這並不會構成問題。這裡，.XT互連和IGBT5晶片技術在循環負載穩健性方面，實現了卓越的性能[6]。

關於FF2000XTR17IE5和FF1700XTR17IE5D的效能優勢，我們目前僅從單一穩定工作點進行了考量。實際上，如文獻[4]所述，考慮了由風速和電網需求共同決定的現場工作點，由此得出了針對不同發電機轉速下LSC和MSC的一系列變流器電流組合。這些不同的工作條件導致不同的結溫 Tvj,max。圖5和圖6顯示了兩個專用模組如何大幅擴展了運行範圍。由於LSC IGBT的最大溫度相比標準模組減少了25%，MSC二極體的溫度下降了13%，從而實現了改進。