10kV 系统中,每个功率单元(子模块)的 IGBT 耐压需≥1.7kV(考虑 2 倍裕量,实际选用 3.3kV 等级模块),通过 “18 个功率单元串联”(每相 6 个)实现 10kV 高压输出(单个单元输出电压≈577V,18 个串联总电压≈10kV)。
模块需通过反向耐压测试(施加 4.5kV 反向电压 1min 无击穿),抵御电网暂态过电压(如雷击产生的 2 倍额定电压冲击)。
额定电流选择:根据装置额定无功容量(如 10Mvar)计算相电流(I = Q/(√3×U) ≈ 577A),IGBT 模块额定电流需≥1.2 倍相电流(选用 650A 等级模块),并满足浪涌电流耐受能力(10ms 内承受 3 倍额定电流,即 1950A)。
封装形式:采用压接式封装(而非焊接式),通过压力接触降低导通电阻(≤1.5mΩ@650A),提升散热效率(热阻≤0.05℃/W),适应高频开关下的温升需求。
装置通过 IGBT 的 PWM(脉冲宽度调制)控制输出电流的相位与幅值:开关频率越高(通常 10~20kHz),电流波形越接近正弦波(THD≤3%),且调节步长越小(如 20kHz 开关频率下,每 50μs 可更新一次输出电流指令)。
10kHz 开关频率下,IGBT 从 “关断” 到 “导通” 的切换时间(t_on)需≤500ns,从 “导通” 到 “关断” 的切换时间(t_off)需≤700ns,确保在 100μs 内完成一次无功指令的执行(从接收指令到输出电流达到目标值)。
采用隔离式栅极驱动器(如 2SC0435T),通过磁隔离(隔离电压≥5kV)实现低压控制信号(15V)与高压侧 IGBT 的安全耦合,避免共模干扰导致的误触发。
栅极电阻动态调节:导通时选用小电阻(5Ω)加速开通(减小 t_on),关断时选用大电阻(15Ω)抑制电压尖峰(dv/dt≤500V/μs),平衡开关速度与电磁兼容性。
导通损耗:由模块饱和压降(V_CE (sat))决定,选用低饱和压降模块(V_CE (sat)≤1.8V@650A),使导通损耗(P_con = I×V_CE×D,D 为导通占空比)降低 20%。
开关损耗:通过优化栅极电压(开通时 + 15V,关断时 - 10V),将开关损耗(E_on≈50mJ,E_off≈80mJ@10kHz)控制在总损耗的 40% 以内;同时采用 “软开关技术”(如谐振式 PWM),在 IGBT 关断前通过谐振使电流降至零,进一步降低关断损耗。
模块安装在水冷散热板上(流道设计为蛇形,流量≥2L/min),通过 “温差控制”(散热板与模块结温差≤30℃)确保结温≤125℃;水冷系统与 IGBT 结温传感器(NTC)联动,当结温>110℃时自动提升水流速(最高 3L/min)。
极端工况(如夏季环境温度 40℃)下,通过 “降额运行”(开关频率从 20kHz 降至 15kHz)降低损耗,避免模块过热触发保护停机。
电气参数监测:通过栅极驱动器实时采集 IGBT 的集电极 - 发射极电压(V_CE)、栅极电压(V_GE),当 V_CE 在导通时>2.5V(正常≤1.8V),判定为模块老化;V_GE 偏离 - 10V±0.5V 时,预警栅极驱动故障。
温度监测:模块内部集成光纤温度传感器(精度 ±1℃),采样频率 1kHz,当结温>120℃时触发一级告警(降额运行),>125℃时触发二级告警(紧急停机)。
硬件保护:当检测到 IGBT 短路(短路电流>4 倍额定电流)时,快速熔断器(响应时间≤5μs)熔断隔离故障模块,同时驱动板立即施加 - 15V 关断电压,避免模块雪崩击穿。
冗余设计:每相功率单元预留 “1 个备用单元”,当检测到某单元 IGBT 故障时,通过旁路开关(晶闸管)将故障单元短接,备用单元在 10ms 内投入运行,确保装置仍能输出 95% 额定容量(仅损失单个单元的 5.5% 容量)。