大功率風(fēng)電變流器中的母排設(shè)計(jì)

1 引言

與普通逆變器、變流器相比，風(fēng)電變流器有以下幾個(gè)特點(diǎn)：①功率密度大，直流側(cè)電壓高;②使用環(huán)境惡劣，國內(nèi)風(fēng)電場(chǎng)一般集中在東北、華北、西北和沿海地帶。東北和華北寒冷、溫差大;西北部風(fēng)沙大、灰塵多;沿海地區(qū)空氣濕度大、腐蝕力強(qiáng);③連續(xù)工作時(shí)間長，在風(fēng)力較好的季節(jié)，變流器經(jīng)常連續(xù)幾個(gè)月處于滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài);④可能會(huì)出現(xiàn)陣風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣。這些特點(diǎn)對(duì)風(fēng)電變流器的主電路設(shè)計(jì)，尤其是功率模塊單元的母排設(shè)計(jì)提出了更高的要求。如果母排設(shè)計(jì)不合理，沒有考慮到風(fēng)電變流器的特殊要求，可能會(huì)出現(xiàn)下面幾個(gè)問題：①母排過熱，這是由于風(fēng)電變流器的直流側(cè)電流大、電壓不穩(wěn)定，再加上風(fēng)季時(shí)長時(shí)間處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)，容易導(dǎo)致母排過熱;②母排電感過大，產(chǎn)生過高的尖峰電壓，導(dǎo)致安全裕量變小，當(dāng)遇到陣風(fēng)、臺(tái)風(fēng)等惡劣天氣時(shí)，變流器直流側(cè)電壓會(huì)短時(shí)急劇升高，功率器件很可能出現(xiàn)過壓，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致功率器件炸毀，造成重大損失;③因制造和裝配誤差、母排本身和電容等重力作用，導(dǎo)致功率器件受力是不可避免的，如果不在母排設(shè)計(jì)階段將這些因素考慮進(jìn)去，很可能導(dǎo)致功率器件承受過大的應(yīng)力，風(fēng)電變流器的功率比較大，母排一般都比較大，電容數(shù)量多，更增加了這種風(fēng)險(xiǎn);④母排防護(hù)不夠，隨著灰塵、潮氣的侵入，導(dǎo)致絕緣失效。

因此，針對(duì)上述問題，本文提出了風(fēng)電變流器直流側(cè)母排設(shè)計(jì)原則及要點(diǎn)。實(shí)踐證明，根據(jù)這些原則及要點(diǎn)設(shè)計(jì)的母排具有很高的可靠性。

2 大功率直流側(cè)母排設(shè)計(jì)原則

(1)雜散電感小，具有一定的電磁兼容能力。

(2)結(jié)構(gòu)簡潔緊湊，安裝方便，具有良好的維護(hù)性。

(3)母排支撐可靠，受力情況考慮周全，功率器件受力小。

(4)可靠性強(qiáng)，能保證在特定的環(huán)境中長時(shí)間運(yùn)行。

(5)經(jīng)濟(jì)適用，節(jié)省材料。

3 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

在進(jìn)行直流側(cè)母排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，要首先明確以下幾方面的問題。

⑴ 確定風(fēng)電變流器的工作環(huán)境。要確定變流器是室外型還是室內(nèi)型，高原型還是地面型，嚴(yán)寒地區(qū)還是潮濕地區(qū)。并根據(jù)這些環(huán)境條件來確定環(huán)境的污染等級(jí)、極限溫升和最小爬電距離與電氣間隙。

⑵ 了解電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，收集相關(guān)元器件規(guī)格書。

⑶ 確定額定工作電壓和電流。目前，風(fēng)電變流器主流機(jī)型的直流側(cè)母線電壓均在1100V左右，電流從幾百A到幾千A不等，這取決于風(fēng)電機(jī)組的功率大小。額定工作電壓和電流作為計(jì)算母排尺寸的一個(gè)重要依據(jù)。

⑷ 使用壽命。使用壽命的選取會(huì)影響到直流母排的結(jié)構(gòu)工藝及其絕緣材料的選擇。風(fēng)電變流器的壽命一般要求20年，故對(duì)直流母線的壽命也一般要求不低于20年。這樣，在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，母排就可以免于維護(hù)。

4 母排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在確定了母排工作環(huán)境、電路拓?fù)?、電氣參?shù)等一些具體要求以后，就可以開始母排的設(shè)計(jì)。首先，依據(jù)電流大小計(jì)算銅板的截面積。需要注意的是不要選擇過厚的銅排，因?yàn)殡娏髁鬟^導(dǎo)體存在集膚效應(yīng)[1]，集膚深度計(jì)算公式為

(1)

式中：δ為集膚深度;μ為磁導(dǎo)率;σ為電導(dǎo)率。

風(fēng)電變流器的功率密度大，母排導(dǎo)體一般選擇紫銅材料，紫銅的磁導(dǎo)率為4 X10-7H/m，電導(dǎo)率為5.8X107S/m。風(fēng)電變流器的功率器件開關(guān)頻率一般為2kHz -3kHz，就以3kHz為例，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出集膚深度為：

所以，銅板厚度一般采用1.5mm—2.5mm為宜。如果沒有注意到這一點(diǎn)，不但浪費(fèi)材料，還往往伴隨出現(xiàn)母線過熱的現(xiàn)象。

此外，直流側(cè)母排設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)要點(diǎn)。

3.1 盡量減少電感

由于雜散電感的作用，在IGBT關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)尖峰電壓，此電壓與直流回路電壓疊加，對(duì)功率器件和母排絕緣構(gòu)成很大威脅。變流器功率越大，功率器件di/dt越大，這種危害就越嚴(yán)重。由雜散電感引起的尖峰電壓UL為：以下腳注改為正體，i與t改為斜體

UL=(LB+LM)di/dt (2)

式中：LB為母排寄生電感，LM為功率模塊寄生電感。

由(2)式可知，降低電壓尖峰有兩個(gè)途徑：① 通過改變門極驅(qū)動(dòng)電阻的值來減小di/dt，將導(dǎo)致開通和關(guān)斷的時(shí)間延長，功率器件的損耗增加，這會(huì)使變流器的效率降低，而且給功率器件的散熱也將帶來挑戰(zhàn)。所以靠減小di/dt來減小雜散電感是有限的;② 減小雜散電感(LB+LM)，(LB+LM)當(dāng)功率器件選定以后，其自身寄生電感就基本固定，能夠減小的就只有母排寄生電感了，所以，母排設(shè)計(jì)是獲得低電壓尖峰的關(guān)鍵。為獲得低電感的母排，在母排設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下幾個(gè)方面考慮。

3.1.1采用疊層結(jié)構(gòu)

由鄰近效應(yīng)可知，某一導(dǎo)體的高頻電流在鄰近的導(dǎo)體層會(huì)形成鏡像電流。對(duì)于雙層銅排，當(dāng)信號(hào)路徑與地平面互相疊層，并使?jié)M足絕緣層厚度的間距遠(yuǎn)小于導(dǎo)體寬度時(shí)，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個(gè)內(nèi)部平面上，部分高頻磁場(chǎng)能夠相互抵消[2]，從而減小回路中的電感。

3.1.2 取合適長寬比

疊層母排的總等效雜散電感為

LB=LI+LC (3)

式中：LI為母排內(nèi)部等效電感，與頻率有關(guān)，頻率越高，內(nèi)電感越小[3]，此處可以忽略不計(jì);LC為母排外部等效電感

根據(jù)文獻(xiàn)[3]可知，

當(dāng)t

(4)

式中：t為單層銅板厚度;d為絕緣層厚度;l為疊層母排長度;w為疊層母排寬度。從式(3)可看出，母排長度越短，寬度越大，電感越小。

3.1.3 支撐電容布局設(shè)計(jì)合理

盡管采用了疊層母排，可以有效減小雜散電感，但是電感還是存在的，而且功率器件本身的寄生電感也是無法消除的。因此，直流側(cè)應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的支撐電容，以便有效抑制雜散電感。目前，風(fēng)電變流器上常用的支撐電容主要有兩種：鋁電解電容和膜電容。由于鋁電解電容的耐壓等級(jí)較低，一般需要大量的并串聯(lián)，所以其母線設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且鋁電解電容發(fā)熱嚴(yán)重，壽命短，逐漸被膜電容取代。膜電容擁有耐壓高、壽命長、發(fā)熱少等諸多優(yōu)點(diǎn)，正獲得越來越廣泛的應(yīng)用。由于膜電容耐壓高，額定工作電壓可達(dá)1100V，在低壓風(fēng)電變流器中一般就不需要串聯(lián)，簡化了母排設(shè)計(jì)，也減小母排寄生電感，建議優(yōu)先選擇膜電容作為直流側(cè)支撐電容。在電容布局設(shè)計(jì)時(shí)，要注意以下兩個(gè)問題：

⑴ 電容的擺放很重要，如圖1所示，圖1(a)與圖1(b)的區(qū)別僅在于電容端子方向正好相差90°，電流路徑構(gòu)成的環(huán)路面積就大不相同。環(huán)路面積越小，電感越小。因此，圖1(b)布局優(yōu)于圖1(a)布局。

圖1 電容兩種不同的擺放方式構(gòu)成的環(huán)路面積：(a)回路面積大，不合理;

(b)合理，應(yīng)采用此種擺放方式