電力電子型產(chǎn)品緊湊化設(shè)計(jì)方法

李海峰，王洪慶，周鋒，安洋，鄭江飛

（1.河北鋼鐵集團(tuán)承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北承德 067002；2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180；3.河北天柱鋼鐵集團(tuán)唐山市天型鋼鐵有限公司 河北唐山 063030）

電力電子型產(chǎn)品緊湊化設(shè)計(jì)方法

李海峰1，王洪慶2，周鋒2，安洋2，鄭江飛3

（1.河北鋼鐵集團(tuán)承德鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北承德 067002；2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所有限公司，天津 300180；3.河北天柱鋼鐵集團(tuán)唐山市天型鋼鐵有限公司 河北唐山 063030）

電力電子型產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是決定產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵點(diǎn)，產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比高、占空間小，更是廠家和用戶(hù)共同追求的目標(biāo)。提出電力電子型產(chǎn)品緊湊化設(shè)計(jì)方法并對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)論述，通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，證明了該方法的正確性。該方法的運(yùn)用可使此類(lèi)產(chǎn)品具有體積小、性能指標(biāo)高、抗干擾性能高、便于維護(hù)等特點(diǎn)，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

電力電子；緊湊化；模塊化；絕緣柵雙極型晶體管；優(yōu)化設(shè)計(jì)

二極管、晶閘管、IGBT，IGCT等電力電子功率器件目前已廣泛應(yīng)用于整流裝置、變頻產(chǎn)品中，隨著設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域要求的不斷提高，及電力電子器件的集成化度越來(lái)越高，要求其單位體積輸出功率大，因此要求更加緊湊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，才能使產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力。本文分析了電力電子型產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本方法，從產(chǎn)品的控制器設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的散熱、產(chǎn)品的安全性、產(chǎn)品的電磁兼容性、產(chǎn)品維護(hù)等方面研究產(chǎn)品設(shè)計(jì)的方法及理論。

1 電力電子型產(chǎn)品緊湊化設(shè)計(jì)因素

首先此類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)應(yīng)具備優(yōu)良的、完備的使用功能，同時(shí)具有可靠的質(zhì)量保證，具有良好的人機(jī)對(duì)話性，有較高的技術(shù)性能和效率，具備較高的可靠性。先進(jìn)的模塊化設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)提供高度可定制化方案。

從功能上此類(lèi)產(chǎn)品可分為控制部分、觸發(fā)驅(qū)動(dòng)和功率部分、保護(hù)部分、人機(jī)對(duì)話部分，要在滿足產(chǎn)品功能、使用性能的前提下，使產(chǎn)品成本最小化。因此以上各部分在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要最優(yōu)化。因此產(chǎn)品功率器件的散熱能力、抗干擾性能、安全性、可維護(hù)性等是此類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。

2 功率部分器件的散熱設(shè)計(jì)

電力電子型產(chǎn)品基本依據(jù)其輸出電壓等級(jí)和輸出功率的大小確定其產(chǎn)品規(guī)格，產(chǎn)品輸出功率的大小依據(jù)其功率器件選擇其散熱設(shè)計(jì)。電力電子器件工作時(shí)，會(huì)因功率損耗引起器件發(fā)熱、升溫。器件溫度過(guò)高將縮短壽命，甚至燒毀，這是限制電力電子器件電流、電壓輸出的主要原因。因此散熱功率的計(jì)算、散熱方式的選擇與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的緊湊性設(shè)計(jì)，是此類(lèi)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1 半控型器件的發(fā)熱量計(jì)算方法

半控型器件主要指晶閘管器件，不可控電力電子二極管器件的發(fā)熱計(jì)算與半控型器件相同。半控器件由于導(dǎo)通損耗所產(chǎn)生的熱量，是通過(guò)壓裝在器件上的散熱器，在一定散熱結(jié)構(gòu)下，靠風(fēng)進(jìn)行冷熱空氣對(duì)流和熱傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)功率器件的散熱。

導(dǎo)通損耗可根據(jù)元件廠商提供的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)結(jié)合實(shí)際電路工作參數(shù)來(lái)計(jì)算。

器件總發(fā)熱功率為

式中：n為風(fēng)道中的總元件數(shù)；PAV為通態(tài)損耗功率，W。

通態(tài)損耗功率PAV在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需綜合考慮產(chǎn)品工作的不同負(fù)載類(lèi)型，對(duì)產(chǎn)品工作的不同負(fù)載類(lèi)型分別進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算方法及公式較為復(fù)雜，這里推薦采用圖表曲線的方法簡(jiǎn)單易行。圖1所示為某半控器件廠商提供的通態(tài)功率曲線，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員可根據(jù)產(chǎn)品工作時(shí)不同導(dǎo)通角λ下的通態(tài)平均電流IAV，根據(jù)圖表查出對(duì)應(yīng)的通態(tài)損耗PAV。

圖1 通態(tài)功率損耗（通態(tài)電流下的開(kāi)通損耗）Fig.1 On-state power dissipation vs.mean on-state current，turn-on losses excluded

2.2 全控型器件的發(fā)熱量計(jì)算方法

功率全控型器件主要指絕緣柵雙極晶體管IGBT（器件內(nèi)部由電子和空穴2種載流子參與導(dǎo)電稱(chēng)“少子器件”）、集成門(mén)換流晶閘管器件IGCT等，此類(lèi)器件的功率損耗包括器件的通態(tài)損耗、開(kāi)關(guān)損耗、斷態(tài)電流損耗及驅(qū)動(dòng)損耗等，其中通態(tài)損耗及開(kāi)關(guān)損耗為其主要損耗，通態(tài)損耗為

式中：PC為功率開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)損耗，W；IDS為脈沖電流幅值，A；RDS為功率開(kāi)關(guān)器件的通態(tài)電阻，Ω；δ為輸出電流波形占空比。

功率器件的開(kāi)關(guān)損耗包括了開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，器件處于高頻工作狀態(tài)下，電壓和電流發(fā)生劇烈變化，因此開(kāi)關(guān)損耗占器件總損耗相當(dāng)大的比重。功率器件的開(kāi)關(guān)損耗與負(fù)載特性有關(guān)：

式中：US為斷態(tài)電壓，V；IM為通態(tài)電流，A；f為開(kāi)關(guān)頻率，HZ；Ton為開(kāi)通時(shí)間，s；Toff為關(guān)斷時(shí)間，s。

2.3 散熱技術(shù)及風(fēng)機(jī)選型

緊湊型電力電子產(chǎn)品，通常采用功率器件為電絕緣型模塊、散熱器為平板型散熱器，散熱方式為風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫冷卻，因此在計(jì)算出功率器件的發(fā)熱量基礎(chǔ)上，高散熱效率風(fēng)道的設(shè)計(jì)就十分重要。

風(fēng)機(jī)所需風(fēng)量，應(yīng)根據(jù)熱平衡方程式計(jì)算即：

式中：P為風(fēng)道總發(fā)熱功率，W；c為空氣比熱，1.026×103J/kg K；γ為空氣密度，1.05 kg/m3；ΔT為風(fēng)道進(jìn)出口溫度差，一般可考慮5℃。

根據(jù)風(fēng)機(jī)廠商提供的風(fēng)機(jī)特性曲線如圖2所示，選取相應(yīng)風(fēng)量Q下的風(fēng)壓Pa，將風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)匹配到曲線最佳范圍內(nèi)，通常選取陰影部分。

圖2 風(fēng)機(jī)工作曲線Fig.2 The operating curves of fans

3 產(chǎn)品電磁兼容性設(shè)計(jì)

運(yùn)行中的電力電子設(shè)備伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，對(duì)周?chē)O(shè)備產(chǎn)生影響，同時(shí)它也受到周?chē)鞣N電磁干擾，因此在產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)其EMC（electromagnetic compatibility）進(jìn)行研究分析。

3.1 產(chǎn)品受到的噪聲一般可分為3大類(lèi)

1）放電噪音源：通常包括雷電、靜電、大功率開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的動(dòng)作、電動(dòng)機(jī)的電刷跳動(dòng)等。2）浪涌噪音源：大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流、晶閘管控制設(shè)備等。3）高頻振蕩噪音源：DC-DC變換器、變頻器、開(kāi)關(guān)電源等。因此在電力電子型產(chǎn)品設(shè)計(jì)中抗干擾技術(shù)是產(chǎn)品可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。

3.2 抗干擾技術(shù)在產(chǎn)品中的實(shí)現(xiàn)方法

3.2.1 全數(shù)字控制器的抗干擾設(shè)計(jì)

當(dāng)前的緊湊型電力電子控制產(chǎn)品根據(jù)其功率器件的性質(zhì)，主要分為半控型及全控型兩大類(lèi)，其控制回路通常為全數(shù)字控制器。因此在抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮其控制回路。全數(shù)字控制電路的工作特點(diǎn)是回路工作能量低、翻轉(zhuǎn)速度快、電平信號(hào)弱等，因此外部各種電磁變化產(chǎn)生的噪音容易影響其正常工作，同時(shí)其本身工作時(shí)也產(chǎn)生電磁噪音。

隨著電子器件的集成化程度的飛速發(fā)展，全數(shù)字控制器多采用多層電路板設(shè)計(jì)，因其內(nèi)層有專(zhuān)用電源層和地線層，供電線路的阻抗低，能減少公共阻抗干擾，同時(shí)由于信號(hào)線都有均勻接地面，信號(hào)線的特性阻抗穩(wěn)定，易匹配，減少了反射所引起的波形畸變，隨著加工制造工藝及材料加工工藝技術(shù)的飛速發(fā)展，多層電路板已廣泛應(yīng)用于電力電子產(chǎn)品的緊湊化設(shè)計(jì)中。

其次在板上器件的選型、妥善布置線路板上的器件位置、導(dǎo)線的布局及形狀等多方面因素均可影響產(chǎn)品的抗干擾能力。

3.2.2 降低雜散電感的疊層母線設(shè)計(jì)

基于功率單元所使用的電力電子器件通常工作被用在PWM脈寬調(diào)制電路中，通常具有較高的開(kāi)關(guān)頻率，功率器件在關(guān)斷瞬間，電感會(huì)阻止電流的變化，因此會(huì)在電路饋線的等效電感兩端形成電壓變化ΔU，其大小ΔU=L（di/dt），通常在大功率逆變電路中，開(kāi)關(guān)器件所承受的di/dt可達(dá)2 kA/μs至3 kA/μs，由此可見(jiàn)由于等效電感的存在引起的高電壓不容忽視，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)通過(guò)計(jì)算及測(cè)試，使其抑制在器件允許范圍之內(nèi)。

兩條平行導(dǎo)線每條導(dǎo)線的自感L和兩導(dǎo)線間的互感M分別為

式中：s為導(dǎo)線間距，mm；b為導(dǎo)線寬度，mm；l為導(dǎo)線長(zhǎng)度，cm。

因此從上述理論得出，分布電感的產(chǎn)生與導(dǎo)線的長(zhǎng)度成正比，與導(dǎo)線間的間距、導(dǎo)線的寬度成反比。因此在大功率逆變電路中，采用疊層母排的設(shè)計(jì)，會(huì)降低主回路的分布電感。

3.2.3 光纖抗干擾技術(shù)

隨著超導(dǎo)技術(shù)的日益成熟，光纖的損耗已達(dá)到0.2 dB/km，這使得光纖完全能勝任作為傳輸光波的傳輸媒介，開(kāi)辟了光纖通信的新紀(jì)元。光纖具有傳輸頻帶極寬，通信容量大；衰減小、串?dāng)_小，信號(hào)傳輸質(zhì)量高；光纖抗電磁干擾，保密性好；光纖尺寸小，重量輕，便于傳輸和鋪設(shè)等特點(diǎn)，光纜用于電力電子器件的觸發(fā)回路較傳統(tǒng)的電磁式觸發(fā)回路，可將產(chǎn)品中控制器發(fā)出的低電平控制信號(hào)，與功率器件上的高電平信號(hào)完全隔離，避免主回路高壓信號(hào)對(duì)控制器的損害，具有良好的絕緣性。對(duì)于觸發(fā)特性來(lái)說(shuō)：具有觸發(fā)前沿陡度高，各觸發(fā)脈沖之間差異小的特點(diǎn)，提升產(chǎn)品性能；對(duì)于觸發(fā)功率：具有傳輸功率小，省去體積大、損耗大的電磁隔離器件，提升產(chǎn)品的緊湊性；對(duì)于觸發(fā)響應(yīng)：具有寄生電容小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，增加了產(chǎn)品的可靠性。

4 其他設(shè)計(jì)因素

4.1 產(chǎn)品安全設(shè)計(jì)

電力電子產(chǎn)品通常具有工作電壓高、運(yùn)行電流大等特點(diǎn)，因此其安全性是用戶(hù)關(guān)心的首要問(wèn)題，對(duì)于電力電子產(chǎn)品的安全設(shè)計(jì)主要有兩個(gè)方面：一是產(chǎn)品本身的安全性及故障狀態(tài)時(shí)安全隱患；二是對(duì)產(chǎn)品使用者的安全設(shè)計(jì)。因此在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)通常從以下幾個(gè)方面考慮：

1）產(chǎn)品的絕緣設(shè)計(jì)。主要包括帶電器件之間、帶電器件與外殼結(jié)構(gòu)件之間的電氣間隙及爬電距離；

2）產(chǎn)品的防護(hù)設(shè)計(jì)。避免操作時(shí)的直接接觸及間接接觸；除對(duì)暴露的導(dǎo)電部位進(jìn)行防護(hù)設(shè)計(jì)外，產(chǎn)品的金屬殼體與接地螺釘應(yīng)具備可靠的電氣連接，因此在電力電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可使用覆鋁鋅板代替噴涂工藝，產(chǎn)品具有耐腐蝕、外觀好、良好的接地性能等特點(diǎn)；

3）安全性的軟件設(shè)計(jì)。確定產(chǎn)品的運(yùn)行狀態(tài)，將其分為準(zhǔn)備狀態(tài)、正常運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)、故障報(bào)警狀態(tài)。目前電力電子產(chǎn)品基本均為全數(shù)字控制器，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，可綜合產(chǎn)品當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)提供調(diào)試人員或集中控制信息中心，處理產(chǎn)品故障及報(bào)警，避免故障擴(kuò)大、減少損失。

4.2 產(chǎn)品的維護(hù)設(shè)計(jì)

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)要考慮產(chǎn)品的可維護(hù)性，目前模塊化設(shè)計(jì)這一新的設(shè)計(jì)概念和設(shè)計(jì)方法迅速在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，模塊化的主要方法是對(duì)產(chǎn)品的分解和組合，模塊化產(chǎn)品由標(biāo)準(zhǔn)模塊組成。產(chǎn)品分解和組合的技巧及運(yùn)用水平，是模塊化的核心問(wèn)題。通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在：一方面解決品種、規(guī)格的多樣化與生產(chǎn)的專(zhuān)業(yè)化的矛盾；另一方面也為先進(jìn)的制造技術(shù)、提高設(shè)備的利用率創(chuàng)造必要的條件；同時(shí)提升了產(chǎn)品維護(hù)的快速性和及時(shí)性。

5 緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用

以TAC1系列132 kW通用變頻器為例介紹緊湊型產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法的實(shí)際應(yīng)用。產(chǎn)品配置主要由功率組件、主控器、控制回路組成，產(chǎn)品組成配置框圖見(jiàn)圖3，產(chǎn)品功率組件配置見(jiàn)圖4。

圖3 TAC1系列132 kW變頻器組成配置圖Fig.3 The configuration diagram of TAC1 Series 132 kW AC driver

圖4 132 kW變頻器功率組件及其背視圖Fig.4 The power unit and back view of 132 kW AC driver

產(chǎn)品主要參數(shù)為：額定功率132 kW，三相交流輸出額定電壓400 V，輸入電流286 A，直流回路額定電流309 A，額定輸出電流260 A，基準(zhǔn)負(fù)載電流237 A，最大電流355 A，裝置外型尺寸320 mm×1 320 mm×411 mm（寬×高×深）。

組件包含了散熱器、IGBT功率模塊、整流模塊、疊層母排、進(jìn)線母排，出線母排電容組等。產(chǎn)品特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，采用模塊化設(shè)計(jì)，便于維護(hù)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)分別采用了功率器件的散熱技術(shù)、多層線路板設(shè)計(jì)技術(shù)、疊層母排技術(shù)、產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)、產(chǎn)品緊湊型設(shè)計(jì)技術(shù)等。裝置采取上述技術(shù)后在系能指標(biāo)不變的情況下，較原裝置體積減少近50%（原裝置外型：508 mm×1 450 mm×465 mm）。

主要器件參數(shù)：晶閘管模塊為510 A，1 400 V，3只；IGBT模塊為450 A，1 200 V，3只；電容組為6 800 μF，400 V，6只；等效容值為10 200 μF。

5.1 產(chǎn)品額定負(fù)荷測(cè)試

圖5為晶閘管整流模塊輸出額定電流至309 A時(shí)的溫升曲線；圖6為IGBT逆變模塊額定輸出額定電流至290 A時(shí)的溫升曲線；產(chǎn)品在額定電流輸出的條件下，溫升均未超過(guò)55 K（環(huán)境溫度20℃），滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 晶閘管模塊溫升曲線Fig.5 Temperature rasing curves of SCR module

圖6 IGBT模塊溫升曲線Fig.6 Temperature rasing curves of IGBT module

5.2 產(chǎn)品輕載性能測(cè)試

圖7為產(chǎn)品在額定電壓下，產(chǎn)品啟制動(dòng)性能曲線，該測(cè)試滿足GB/T12668.2—2002 7.3.2低壓交流變頻電氣傳動(dòng)系統(tǒng)額定值的規(guī)定中輕載和功能試驗(yàn)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 產(chǎn)品輕載啟制動(dòng)波形圖Fig.7 Waveforms diagram of product starting&braking at light loads

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)樣機(jī)以上型式試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品整體系能達(dá)標(biāo)，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方法的正確性。

6 結(jié)論

本文綜合產(chǎn)品各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)方法及關(guān)鍵器件的選型作了詳細(xì)的研究及介紹，該方法已廣泛應(yīng)用于交直流全數(shù)字調(diào)速產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及研發(fā)中，研制的產(chǎn)品已在工程項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品具有體積小、系能指標(biāo)高、抗干擾性能高、便于維護(hù)等特點(diǎn)，具有廣泛的市場(chǎng)空間。

［1］ 天津電氣傳動(dòng)研究所.電氣傳動(dòng)自動(dòng)化技術(shù)手冊(cè)［M］.第2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

［2］ 張松春.電子控制設(shè)備抗干擾技術(shù)及其應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［3］ 黃俊，王兆安.電力電子變流技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

修改稿日期：2014-03-25

Method of Power Electronics Products Compact Design

LI Hai-feng1，WANG Hong-qing2，ZHOU Feng2，AN Yang2，ZHENG Jiang-fei3
（1.Chengde Iron&Steel GROUP Co.，Ltd.，Hebei Iron&Steel GROUP，Chengde067002，Hebei，China；2.Tianjin Design&Research Institute of Electric Drive Co.，Ltd.，Tianjin300180，China；3.Tangshan Tianxing Iron&Steel Co.，Ltd.，Hebei Tianzhu Iron&Steel GROUP，Tangshan063030，Hebei，China）

The key points of market competitiveness is products optimal design method of power electronics products，products have many features such as high-performance，high reliability，low cost，and low volume，is the common goals for manufactures and consumers.A basic method of power electronics products compact design is proposed and elaborated and verified with the test result of prototype.The power electronics products with this method have many features such as low volume，high-performance，high reliability，low cost，and easily to maintain，etc.and have wide application fields.

power electronics；compact；modular；insulated gate bipolar transistor（IGBT）；optimal design

TM46

A

李海峰（1969-），男，研究生，高級(jí)工程師；Email：lhfysrd@163.com

2014-01-20