高壓鏈式SVG功率單元中電源模塊的優(yōu)化設計

［摘 要］文章對SVG 功率單元及電源模塊進行了概述，分析了電源模塊的元件選型與優(yōu)化，探討了電磁干擾的抑制與屏蔽優(yōu)化，旨在提高SVG 功率單元的性能和穩(wěn)定性。

［關鍵詞］SVG 功率單元；電源模塊；電磁干擾抑制；優(yōu)化設計

［中圖分類號］TP273 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）09–0106–03

1 SVG功率單元及電源模塊概述

1.1 SVG功率單元的基本結構和功能

SVG 功率單元是靜止無功發(fā)生器（Static VarGenerator，以下簡稱“SVG”）的核心組成部分，其基本結構包括功率變換電路、控制電路、保護電路及冷卻系統(tǒng)等關鍵部分。SVG 功率單元的主要功能是通過調節(jié)輸出電流的幅值和相位，實現(xiàn)對電網中的無功功率進行動態(tài)補償，從而提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和電能質量。SVG 功率單元通常采用多電平拓撲結構，如二極管中點鉗位型（NPC）或級聯(lián)H 橋型（CHB），以實現(xiàn)更高的電壓等級和更靈活的功率控制。

功率變換電路是SVG 功率單元的核心，其由多個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate BipolarTransistor，以下簡稱“IGBT”）開關管組成，通過脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation， 以下簡稱“PWM”）控制技術，可以精確地調節(jié)SVG 輸出的無功電流?？刂齐娐肥荢VG 功率單元的“大腦”，負責接收來自上位機的指令，根據(jù)電網的實時狀態(tài)計算出SVG 應輸出的無功電流，并生成相應的PWM 控制信號，以驅動功率變換電路中的IGBT 開關管。同時，控制電路還具備完善的保護功能，如過流保護、過熱保護等，以確保SVG 功率單元在異常情況下能夠安全停機。保護電路是SVG 功率單元的安全保障，能夠在電網出現(xiàn)故障或SVG 功率單元內部出現(xiàn)異常時，迅速切斷電源，防止故障擴大。保護電路通常包括過壓保護、欠壓保護、過流保護等多種保護功能，確保SVG 功率單元在惡劣的電網環(huán)境下也能安全的運行。冷卻系統(tǒng)對于SVG 功率單元的穩(wěn)定運行也至關重要。由于SVG 功率單元在工作過程中會產生大量的熱量，若不及時進行散熱，可能會導致IGBT 等元器件過熱損壞。因此，冷卻系統(tǒng)通常采用強制風冷或水冷等方式，確保SVG 功率單元的溫度始終保持在安全范圍內。

1.2 電源模塊在SVG功率單元中的作用

SVG 功率單元要實現(xiàn)對電網中的無功功率進行動態(tài)補償，離不開電源模塊提供穩(wěn)定、可靠的直流電源。電源模塊為SVG 功率單元中的功率變換電路提供所需的直流電源。功率變換電路中的IGBT 開關管在進行高速的開關動作時，需要穩(wěn)定的電源供應以確保其正常工作。電源模塊通過整流、濾波等環(huán)節(jié)，將交流電源轉換為穩(wěn)定的直流電源，供給功率變換電路，從而保證SVG 能夠精確地調節(jié)輸出電流的幅值和相位。電源模塊還承擔著保護電路供電的重要任務。電源模塊為保護電路提供不間斷的電源，確保其能夠實時監(jiān)控電網狀態(tài)和SVG 功率單元的工作情況，一旦檢測到異常情況，能夠立即切斷電源，防止故障擴大。電源模塊的穩(wěn)定性和可靠性直接影響到SVG 功率單元的整體性能。若電源模塊出現(xiàn)故障或輸出電壓不穩(wěn)定，會導致SVG 功率單元無法正常工作，甚至可能引發(fā)更嚴重的電網問題。因此，電源模塊的設計和質量把控至關重要，必須確保其在各種惡劣環(huán)境下都能穩(wěn)定運行。

2 電源模塊的元件選型與優(yōu)化

2.1 IGBT模塊、整流二極管、直流側電容等元件的選型

在電源模塊的設計過程中，元件選型直接影響到電源模塊的性能、穩(wěn)定性和效率。以下核心元件的選型尤為關鍵。

（1）IGBT 模塊的選型首要考慮其電壓和電流容量，以確保其能夠承受SVG 功率單元在工作過程中可能產生的最大電壓和電流。同時，IGBT 的開關速度和損耗也十分重要。快速的開關速度可以減少開關損耗，提高效率，而低損耗則有助于減少發(fā)熱，提升系統(tǒng)的可靠性。

（2）整流二極管的選型需要關注其正向導通壓降、反向恢復時間和反向耐壓等指標。低的正向導通壓降可以減少功率損耗，快速的反向恢復時間有助于減少開關過程中的電壓尖峰和振蕩，從而提高電源模塊的效率和穩(wěn)定性。反向耐壓能力則是確保整流二極管在電網電壓波動或異常情況下能夠安全工作的關鍵。

（3）直流側電容的選型主要考慮其容量、耐壓和等效串聯(lián)電阻（ESR）等參數(shù)。足夠的容量可以平滑直流電壓，減少電壓紋波，從而提高SVG 輸出電能的質量。耐壓能力則必須高于SVG 工作過程中的最大直流電壓，以確保電容不會被擊穿。而低的ESR則有助于減少電容在充放電過程中的發(fā)熱，提高電容的使用壽命。

在元件選型的基礎上，需要進行電路的優(yōu)化設計，以充分發(fā)揮這些元件的性能。例如，通過合理的布局和走線，可以減少寄生電感和電容的影響，提高電路的效率和穩(wěn)定性。同時，還需要考慮元件之間的熱耦合和電磁干擾等問題，以確保電源模塊能夠在各種環(huán)境下穩(wěn)定可靠的工作。

2.2 元件性能參數(shù)的分析與比較

元件性能參數(shù)的分析與比較涉及對IGBT 模塊、整流二極管、直流側電容等核心元件的詳細評估，以確保所選元件能夠滿足電源模塊的設計要求，并在各種工作條件下保持高效穩(wěn)定的性能。對于IGBT 模塊，主要關注其導通電阻、開關速度、耐壓能力及熱穩(wěn)定性等性能參數(shù)。整流二極管的選擇同樣重要，其正向導通壓降、反向恢復時間、反向耐壓及反向漏電流等參數(shù)都需要仔細考量。直流側電容的性能對電源模塊的穩(wěn)定性和輸出電能質量也有重要影響，需要關注其容量、耐壓能力、ESR 及使用壽命等參數(shù)。

在分析與比較這些元件性能參數(shù)時，不僅要考慮單個元件的性能，還要綜合考慮它們之間的匹配性和協(xié)同效應。此外，還需要根據(jù)實際應用場景和具體需求，權衡各項性能參數(shù)，以選擇最適合的元件組合。對元件性能參數(shù)進行深入的分析與比較，是確保電源模塊性能優(yōu)化的重要環(huán)節(jié)。通過這一過程，可以選擇出性能卓越、穩(wěn)定可靠的元件，從而構建出高效穩(wěn)定的電源模塊，為SVG 功率單元的穩(wěn)定運行提供堅實基礎。

3 電磁干擾的抑制與屏蔽優(yōu)化

3.1 IGBT通斷時產生的電磁干擾分析

在SVG 功率單元中，IGBT 作為核心開關器件，在高速通斷過程中會產生顯著的電磁干擾（EMI）。這種干擾不僅影響SVG 自身的穩(wěn)定運行，還可能對周圍電子設備造成不良影響。因此，對IGBT 通斷時產生的電磁干擾進行深入分析至關重要。

IGBT 在通斷過程中，由于其快速的電壓和電流變化，會產生高頻的電磁輻射。這種輻射以電磁波的形式在空間傳播，可能耦合到附近的電路或設備中，導致性能下降或誤動作。特別是當IGBT 工作在高頻、大功率狀態(tài)下時，這種電磁干擾尤為嚴重。當IGBT導通或關斷時，其集電極和發(fā)射極之間的電壓會發(fā)生突變，同時伴隨著大電流的快速切換。這些快速變化的電壓和電流會在空間中激發(fā)出強烈的電磁場，從而產生電磁干擾。IGBT 的開關速度越快，產生的電磁干擾通常越強烈。因為快速的電壓和電流變化意味著更高的頻率成分，這些高頻成分更容易以電磁波的形式輻射出去。同時，IGBT 的封裝結構、驅動電路的設計及PCB 布局（PCB 布局是指在印制電路板（PCB）上規(guī)劃并放置電子元器件的過程，以確保電路功能正常并優(yōu)化性能。這個過程涉及對電子元器件的位置、方向和連接方式等進行細致的安排）等因素也會影響電磁干擾的強度和傳播方式。

3.2 抑制和減少電磁干擾的方法

抑制和減少電磁干擾是確保SVG 功率單元穩(wěn)定運行的關鍵。在應對IGBT 通斷時產生的電磁干擾時，需要采取以下方法來降低其影響。

（1）優(yōu)化PCB 布局。合理的PCB 布局能夠顯著減少電磁干擾的產生和傳播。通過將高頻電路和低頻電路分開布局，減少它們之間的電磁耦合；同時，盡量縮短高頻信號的走線長度并增加地線，以提供良好的回流路徑，從而有效降低電磁輻射。

（2）采用屏蔽技術。屏蔽體能夠有效地阻擋電磁波的傳播，減少對周圍電子設備的干擾。在SVG 功率單元中，可以對關鍵電路或組件進行局部屏蔽，如使用金屬罩或金屬板將IGBT 等開關器件包圍起來，以減少其產生的電磁輻射對外部設備的影響。

（3）應用濾波技術。通過在電源線和信號線上安裝合適的濾波器，可以有效濾除高頻噪聲和干擾信號，保證信號的純凈性和穩(wěn)定性。例如，在電源輸入端加入電源濾波器，能夠濾除來自電網的噪聲和干擾；在信號線上使用低通濾波器，則可消除高頻信號的干擾。

（4）從源頭上減少電磁干擾的產生。如選擇低電磁輻射的IGBT 器件、優(yōu)化驅動電路的設計及降低開關速度等，都是有效的措施。這些改進能夠減少IGBT 通斷時的電壓和電流變化率，從而降低電磁輻射的強度。

3.3 屏蔽優(yōu)化的具體措施

在SVG 功率單元中，屏蔽優(yōu)化是減少電磁干擾、提高設備穩(wěn)定性的關鍵措施。為了實現(xiàn)有效的屏蔽，需要采取以下優(yōu)化措施。

（1）關注屏蔽體的設計。屏蔽體的形狀、材料和厚度都會直接影響到屏蔽效果。在選擇屏蔽材料時，應優(yōu)先考慮具有高導電性能的材料，如銅箔、鋁箔或金屬網等，這些材料能有效地阻擋電磁波的傳播。同時，屏蔽體的厚度也需適中，既要保證良好的屏蔽效果，又要避免過重影響設備的整體結構和散熱性能。

（2）重視屏蔽體的接地方式。良好的接地可以確保屏蔽體與大地之間形成低阻抗的電氣連接，從而將電磁波引入大地，減少對外界的干擾。為了實現(xiàn)有效接地，需確保屏蔽體與接地線之間的連接緊密、可靠，避免接觸不良或松動導致的接地失效。

（3）精心設計屏蔽體的安裝方式。在安裝過程中，應盡量減少屏蔽體與其他金屬部件之間的縫隙，以防止電磁波通過這些縫隙泄漏出去。同時，還需考慮設備的通風和散熱需求，確保屏蔽體在有效阻擋電磁波的同時，不會影響到設備的正常散熱。

（4）增加屏蔽體的數(shù)量或采用多層屏蔽結構。多層屏蔽可以在不同層面上對電磁波進行多次衰減，從而降低干擾的強度。但需注意，多層屏蔽可能會增加設備的復雜性和成本，因此在實際應用中需權衡利弊。

4 結束語

文章所提的電源模塊優(yōu)化措施，不僅為SVG 功率單元的穩(wěn)定運行提供了堅實的基礎，還減少了對外界環(huán)境的電磁干擾，確保了電力系統(tǒng)的安全經濟運行。未來，隨著技術的進步，可進一步對電源模塊進行優(yōu)化，為電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行作出更大貢獻。

參考文獻

[1] 殷衛(wèi)超.SVG 功率單元的電磁干擾分析及結構優(yōu)化設計[D]. 濟南：山東大學，2014.

[2] 閻宏. 功率單元級聯(lián)型SVG 控制策略的研究[D]. 蘭州：蘭州交通大學，2014.

[3] 蘇健. 級聯(lián)H橋型SVG功率單元設計及控制策略研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2012.