- 大功率變頻電源的優化方案
- 整流電路的改進
- 增加直流偏磁電路
- 吸收電路的改進
- 過流保護的改進
隨著我國加入WTO，工廠大功率進口用電設備越來越多，生產線所用供電電源功率越來越大，對大功率變頻電源需求也越來越大，市場前景十分看好。
目前市場上的大功率變頻電源在使用中不同程度地暴露出一些問題，例如對電網污染問題和整機可靠性問題，給用戶造成很大的不便。為滿足市場的需求，迫切需要研制可靠性高且環保的大功率變頻電源。為此我公司集中力量，完全按照國家軍標要求，針對大功率變頻電源主電路功率器件上的電流大和電路的耗散功率大，散熱問題嚴重以及對電網污染大等特點，主要從整流電路，吸收電路，過流保護和直流母線等方面對大功率變頻電源進行了優化設計，研制出了高可靠性的700KVA的三進三出的大功率變頻電源。
1 整流電路的改進
對三相輸入的變頻電源，一般采用三相橋式不可控整流，直流側采用電容濾波。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。諧波還會對鄰近的系統產生干擾，重者使系統無法正常工作。
采用如圖1所示的12脈波整流電路，移相30°構成串聯2重結電路，利用變壓器二次繞組接法的不同，使兩組三相交流電源間相位錯開30°，從而使整流輸出電壓在每個交流電源周期中脈動12次，故為12脈波整流電路。變壓器二次繞組分別采用星形和三角形接法構成相位角相差30°、大小相等的兩組電壓，接到相互連接的整流橋上。
即輸入電流諧波次數為 12K±1，其幅值與次數成反比而降低。這樣使得網側5次和7次諧波電流大大減少。
2 直流母線的設計
目前國內中小功率變頻電源的功率母線主要有以下幾種：
1）印刷電路板母線主要用于小功率的變頻電源，缺點是通過的電流小。
2）圓銅導線是最常用的功率母線，適用于中功率變頻電源，缺點是寄生電感大。
3）寬度2、3cm，厚度2、3mm的窄銅條，適用于中功率的變頻電源，缺點是寄生電感大。
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隨著功率的加大，以上功率母線就不適合了，會帶來一些問題， 大功率變頻電源的功率器件在開關過程中，由于從直流儲能電容至IGBT器件之間的直流母線上的寄生電感和IGBT模塊自身電感的影響，會產生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓，會使器件過熱，甚至有時使IGBT失控并超過器件的額定安全工作區而損壞。因而，必須將開關過程中產生的尖峰電壓限制在允許范圍內，降低尖峰電壓一般有兩種方法：一是通過增加柵極驅動電阻來減小di/dt,但選擇合適的柵極驅動電阻很困難，若驅動電阻太大，導致dv/dt減小，開通時間和關斷時間延長，增加了開關損耗；二是減小直流回路功率母線的分布電感。由于上述幾種功率母線都存在著不同的缺點，為此采用迭層功率母線。
迭層功率母線基于電磁場理論，把連線做成扁平截面，在同樣截面下做得越薄越寬，它的寄生電感越小，相鄰導線內流過相反的電流，其磁場抵消，也可使寄生電感減小。所謂迭層功率母線是以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用高絕緣強度的材料隔離，整個母線極之間的距離比較一致，以減少互感，各層銅排都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣地引出，使所具有不同電位的端子表露在同一平面上，以便于把主電路中的所有器件與之相連。使用迭層功率母線將IGBT和整流管等模塊、散熱器、電容器組合在一起，迭層功率母線與器件之間的連接是用不同的端子和插接件等來完成的，以便相連接時的接觸表面與母線之間的接觸電阻非常小，也使得寄生電感成數量級地減小，從而使Ldi/dt的過電壓應力降至最低，保證裝置工作在最佳狀態。
根椐電磁理論假設：
1）迭層功率母線的長度遠大于寬度，同時寬度遠大于厚度和兩塊正負極板之間的距離，則迭層功率母線在長度方向上的磁感應強度相同；
2）迭層功率母線為非鐵質物質，流過的電流為I，且均勻分布，則寬度方向的電流密度 d=I / b。則迭層功率母線的電感為：
式中 L：電感，包括迭層功率母線的內電感和外電感兩部分
l：迭層功率母線長度 b : 寬度 w: 厚度
a: 兩塊正負極板之間的距離 μr: 極板的磁導率
若兩塊正負極板之間的距離接近零，且w遠小于b時，可知電感L為零，可見兩塊正負極板之間的距離越小越好。
迭層功率母線共采用四層板，從下到上依次為絕緣板1，銅板負極，絕緣板2，銅板正極。圖2 是四層板的外形尺寸圖，1為銅板負極，2為銅板正極，3為絕緣板1和2。
使用迭層功率母線除了使寄生電感減小外，還能使空間電磁干擾降低。根據電磁場理論，當導體中有電流流過時，會在空間任何一點產生磁場。設空間某點的磁場用磁感的磁導率B來衡量，空間中有磁導率可近似為真空中的磁導率μ，則B隨電流成正比變化。當迭層功率母線中通入兩個大小相同、方向相反的電流時，它們在空間某點產生的B是兩個方向相反電流產生的B的矢量和。根椐畢奧一沙法律，空間任意一點的合成B的幅值為：
B=
式中 I：極板中電流
l1：正極板中心點到空間某點的距離
l2：負極板中心點到空間某點的距離
θ: 空間某點到兩極板中心點的連線的夾角
由上式可知，當迭層功率母線中極板上電流一定時，要使空間某點的電磁干擾盡可能小，應使
盡可能小，即正負極板之間的中心距盡可能小。[page]
3 增加直流偏磁電路
隨著變頻電源功率的加大，不得不考慮主變壓器的偏磁問題，偏磁的后果是十分嚴重的，輕則會使變壓器和功率半導體模塊的功耗增加，溫升加劇，變壓器的機械噪聲增大，嚴重時還會損壞功率器件，使變頻電源不能正常工作。因此，為了提高大功率變頻電源的可靠性，必須增加抗偏磁電路。
為解決SPWM全橋逆變器中存在的直流偏磁問題，首先選擇飽和壓降和存儲時間特性一致的功率開關管用于SPWM全橋逆變器，減小控制電路的脈寬失真和驅動延時，其次變壓器鐵心加氣隙，增加鐵心的磁阻，提高變壓器抗直流偏磁的能力，最后采用抗偏磁電路。
由于在輸出變壓器中，勵磁電流一般僅占原邊電流的2％，因此原邊電流直流分量的檢測必須首先濾除勵磁電流中的基波及高頻成分，然后再將剩下的直流分量放大后用于控制。勵磁電流中直流分量的提取可先由霍爾電流傳感器檢測變壓器的原邊電流，再經有源濾波，最后送到PID調節器中，其雙閉環控制原理框圖為如圖3所示。
實際上是通過對逆變器的輸出電流引入負反饋，限制主電路中的直流分量，以防止變壓器產生偏磁。這種抗偏磁電路的調節方法實現了直流偏磁的自動調節，在各個工作點均能很好的防止直流偏磁的產生。
此方案優點在于與過流保護共用一個檢測器件，節省費用；當發生直流偏磁時，變壓器勵磁電流以指數規律迅速增大，比檢測電壓糾偏的方法靈敏。
4 吸收電路的改進
通常，對于變頻電源C﹑E間的過壓一般采用如圖4所示的電路，安裝緩沖電路抑制集電極、發射極間過電壓。小功率用圖4A和圖4B組合，中大功率用圖4A和圖4C組合，但隨著變頻電源功率進一步加大，這種組合就不適合了。以下做一下簡單分析。
圖4 緩沖吸收電路
圖5為采用緩沖吸收電路的典型關斷電壓波形。
圖5典型關斷電壓波形
在圖5中，Vce起始電壓的毛刺ΔV1是由緩沖電路的寄生電感LS和緩沖二極管的正向恢復引起的。其主要部分取決于寄生電感LS：
di/dt為關斷瞬間或二極管恢復瞬間的di/dt。di/dt最差情況接近0.02A/ns×IC，如果ΔV1的限值已經確定，緩沖電路的最大允許電感量可由di/dt估算。
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假如IGBT的工作峰值電流ICM為800A，若ΔV1限制在150V，則最差情況的di/dt約為：
由計算可知，大功率的IGBT電路需要極低電感量的緩沖電路。隨著IGBT電流的增加，C、E的距離不斷變大，所用緩沖電容和緩沖器電阻也越來越多，緩沖電路的PCB板也變得很大，緩沖電路的寄生電感很難做到十幾 nH 以下，ΔV1限制在150V就比較難，有可能會超過500V以上，造成過壓，損壞IGBT。
綜上分析，超過600A的IGBT使用緩沖電路有可能還不如不用緩沖電路的效果好，若緩沖電路設計不好，可能會增加尖峰電壓。因此我們去掉緩沖電路板，只在C、E上并聯無感電容，再加上使用迭層功率母線，實踐證明這種方式安全可靠。
5 過流保護的改進
圖6為新的IGBT過流保護方法示意圖，新方案和以前的IGBT的過流方法相同之處是仍然采用分散過流保護與集中過流保護相結合的方法，不同之處在于：一是新方案采用霍爾傳感器，而不是用磁電流互感器；二是用霍爾傳感器檢測變壓器原邊電流，而不是輸出電流；三是在分散過流檢測通道串入快速光電耦合器，利用分散過流保護通道，響應集中過流信號的要求，利用驅動模塊內部的過流保護電路對IGBT實施軟關斷，而不是硬關斷。
比較器A的第二腳接變壓器原邊電流轉換的電壓值，O1為快速光電耦合器HCPL4504，其輸出三極管與快恢復二極管相串聯，當變壓器原邊電流沒有超過設定的閾值時，無集中過流信號，此時光耦的輸入側二極管處于導通狀態，在分散過流檢測通道中串入的光耦不會影響分散過流保護功能，當變壓器原邊電流超過設定的閾值時，產生集中過流信號，此時光耦的輸入側二極管迅速關斷，快速光耦的輸出側三極管迅速關斷，M57962的1腳將懸空，此時IGBT如果仍處于導通狀態，則驅動模塊內部的過流保護電路就會動作,對IGBT實施軟關斷保護。這樣，不論分散過流保護，還是集中過流保護，都能對IGBT實施軟關斷保護，防止過大的關斷電壓對IGBT造成損壞。
圖6新的IGBT過流保護
2，實物圖
利用以上改進措施，并嚴格按照國家軍標要求，我們研制了三臺700KVA的三進三出的大功率變頻電源，目前已安全無故障的運行半年多，受到了用戶的一致好評。
