（电力电子与电力传动专业论文）50kva二极管箝位三电平逆变器模块研究.pdf

浙旺大学硕士论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，m u l t i l e v e lc o n v e r t e r sh a v eb e e nw i d e l yi n v e s t i g a t e d f o rh i g hp 。w e ra p p l i c a t i 。n s w i t hu t i l i z a t i o no fp o w e rd e v i c e sw i t hn o r m a l v o l t a g er a t i n g ，t h e s et o p o l o g i e sc a np r o v i d eh i g hv 0 1 t a g ea n dh i g hq u a l i t y o u t p u t ，w h i c ha r ev e r yd e s i r a b l ei nh i g hp o w e rh i g hv 0 1 t a g ea p p l i c a t i o n s d e v e l o p m e n to f m u l t i l e v e lc o n v e r t e r si s0 fg r e a ts i g n i f i c a n c ef o r i n d u s t r i a ld r i v ea p p l i c a t i o n ss u c ha sv a r i a b l es p e e dd r i v e sf o rf a n sa n d p u m p se t c i nf i r s tc h a p t e r ，t h ed e v e l o p m e n to fh i g hv 0 1t a g em o t o rd r i v es y s t e m s a n dt h em u l t i 一1 e v e lt e c h n i q u ea r es u m m a r i z e d t h ed e t a i l e ds t r u c t u r e sa n d o p e r a t j n gp r i n c i p l e so fs e v e r a l1 1 】u l t i l e v e lt o p o l o g i e sa r ep r e s e n t e da n d e x p l a i n e d i nc h a p t e r2 ，t h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo fad i o d e c l a m p e dt h r e e 1 e v e li n v e r t e ri sa n a l y z e di nd e t a i l a5 0 k v ae x p e r i m e n t a lp r o t o t y p eh a s b e e nb u i l t ，a n dt h ek e yp o i n t so fh a r d w a r ec o n s t r u c t i o na r ei n t r o d u c e d h e r eb y ：c o m p o n e n ta n dm a t e r i a ls e 】e c t i o n ，p r i n c i p l e sa n dd e s i g no fg a t e d r i v ea n dp r o t e c t i o nc i r c u i t sw i t ho p t i c a lf i b e ri s o l a t i o n ， d e s i g n m e t h o d so ft h e1 a m i n a t e dd cb u s e s ，t h ec o 【p u t e ra i d e d3 ds t r u c t u r ed e s ig n ， t e s ta n dv e r i f i c a t i o no fg a t ed r i v e ，a n dp r o t e c t i o nc i r c u i t s ， d i g i t a l c o n t r o lp l a t f o r mb a s e do nd s pa n dc p l de t c t h ee x p e r i e n c ea n de s s e n t i a l p o i n t si nh i g hv 0 1 t a g ep o w e r c o n v e r t e rh a r d w a r e d e s i g na r ea l s o s u m m a r i z e d i nc h a p t e r3 ，t h eu t i1 i z a t i o no ft h em u l t i l e v e lt e c h n i q u ei ni i i e d i u m v o l t a g ed r i v ea p p l i c a t i o n si sd i s c u s s e d ，t h ep r i n c i p l eo fm u l t i l e v e l v a r i a b l es d e e dm o t o rd r i v ea n dp w mc o n t r o lt h e m e sa r ei n t r o d u c e d b a s e d o nt h i sp r o t o t y p e ，ao p e n l o o pc o n s t a n tv fd r i v es y s t e ma n dac l o s e l o o p s l i pf r e q u e n c yc o n t r 0 1d r i v es y s t e ma r eb u i l ta n de x p e r i m e n t a lw a v e f o r i l l s a r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i c s ， f u l t i l e v e lc o n v e r t e r ，h a r d w a r ed e s i g n ， c o n t r 0 1s t r a t e g y ，h i g hv o l t a g ed r i v e 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 中高压电机调速的现状 建设节约型社会，提高资源利用效率是国家实现可持续发展的重要环节。在 我国“十一五”规划建议中一个引人注目的数字是：单位g d p 能源消耗比“十 五”期末减少2 0 。据中国科学院推出的2 0 0 2 中国可持续发展战略报告中 所述，我国每创造1 美元的g d p ，能耗相当于德国的4 9 7 倍，日本的4 4 3 倍， 美国的2 1 倍，印度的1 6 5 倍。目前我国电机的总装机容量已达4 亿k w ，高压 电动机总容量为1 5 亿k w ，每年消耗的电能约占全国用电量的3 1 5 。其中大 部分拖动的是工业风机、泵类负载，传动电机为交流感应电动机。由于缺少简单 可靠、性价比适中的中压调速装置，这些设备中的绝大部分采用挡板( 或机械式 控制阀) 进行风量( 或流量) 调节，电动机直接恒速拖动，装置选取裕量通常较大， 运行时负荷率低，能源浪费严重。若以交频调速传动代替原有的恒速驱动，通过 改变转速来调节流量和压力，平均可节电3 0 左右，有着非常重大的现实和战略 意义。 1 】 为了实现节能的效果，变频调速在低压小功率范围内已经得到了广泛的应 用，市场上有大量的通用变频器可供选择，可以获得比较理想的效果，产品比较 成熟，竞争也十分激烈。但在中压大功率等级上则由于技术和成本的原因，应用 程度受到极大的限制。随着电力电子技术及功率器件在高电压、大电流、高频率、 模块化、集成化及智能化等方面水平的提高和巨大的市场推动力，中压变频器近 几年的发展非常迅速，成为国内外交流调速领域的研究热点之一。中压变频器不 像低压变频器一样具有成熟的通用交直交拓扑，而是受限于功率器件的耐压， 出现了多种拓扑结构和系统方案。中压变频器主电路结构早期采用的还是由低压 变频器和输入输出变压器组成的“高- 低高”方案口1 【3 l ，这种方案采用的仍然是 低压变频器，具有众多缺点，如低压环节电流大，变频器的输出含有高次谐波和 直流分量，升压变压器设计困难，损耗较大，效率较低，装置庞大等缺点。近年 来已经逐步淘汰，取而代之的是无低压环节的”恤s f o 珊e r 1 e s s ”直接高压变频调 速系统。 - 5 浙江大学硕士论文 按照国际惯例和我国相关国标，当供电电压大于1 0 k v 时称高压，小于或等 于1 0 kv 时称中压。因此，和电网电压相比，我们把用来驱动l 一1 0 k v 交流电动 机的中、大容量变频器称为中压变频器，我国现有的交流电动机，一般2 0 0 k w 是个界线，2 0 0 k w 以下是低压3 8 0 v 或6 9 0 v ，2 0 0 k w 以上是中压3 k v ，6 k v 和 1 0 kv 。习惯上将1 1 0 k v 交流电动机仍称为高压电动机h l 1 2 多电平电压型逆变器 由于电力电子器件技术的限制，器件耐压水平有限，比较成熟的高压i g b t 耐压只能达到3 3 0 0 v ，耐压6 5 0 0 v 的i g b t 尚未正式商品化。而且高压大电流器 件普遍价格昂贵，往往耐压上一个等级，价格翻了数倍，大大增加了装置成本。 在高压大功率的应用场合。考虑到器件的耐压，电流和成本，为了获得高电压等 级的功率变换，传统逆变器只能靠器件的串并联来实现，而串并联会带来开关器 件的静、动态均压、均流以及驱动信号同步等一系列问题，大大增加了系统的复 杂程度，降低了系统的可靠性。两电平逆变器的大功率化还有很多新的问题，如 较大的d v d t 和d i ，d t 对器件及电机的冲击非常大的提高了负载的绝缘要求。电磁 干扰、电磁兼容、轴电压、轴电流和长线传输问题的研究都处于起步阶段，这对 系统的稳定性、可靠性有极大的影响。 1 9 8 1 年，日本长冈科技大学的a n a b a e 等人首次提出了中点籍位式( n 呲a l p o i n tc l a m p ) 三电平逆变器i ”，而后又推广至多电平逆变器( m 1 1 1 t i l e v e l m v e r t e r ) 6 j 【”。多电平逆变器不同于两电平变换器，其中采用电容或独立电源等方 式产生多个电平，通过将多个功率器件按一定的拓扑结构组成可提供多电平输出 的逆变电路，其主要目的是以尽量多的电平输出来逼近理想的正弦波形，从而减 弱输出波形中的谐波影响。在获得高压输入输出特性的同时，多电平逆变器也减 轻了器件上的高压应力，可以使用较低电压等级的器件构造高压变流器，解决了 器件串并联带来的问题。多电平逆变器的出现，是电力电子技术发展的一个里程 碑，它使得高压变频调速技术迅速走向了实用化，让我们看到了高性能控制在高 压变频技术上的应用的希望。 多电平变流器技术和其它几种技术比较具有以下优点： 1 ，每个功率器件仅承受1 ( n 1 ) 的母线电压( n 为电平数) ，所以可以用低耐压 浙江大学硕士论文 的器件实现高压大功率的变换，且无需动态均压电路； 2 ，电平数的增加，改善了输出电压波形，减小了输出电压波形畸变( n d ) ； 3 ，输出同等质量波形的时候，多电平变流器的频率要比两电平变流器低很 多，因而开关损耗小、效率高； 4 ，由于电平数的增加，相同的母线电压情况下，开关过程中的电流上升率 d “d t 和电压变化率d v ，d t 下降要小很多，在高压大功率电机驱动中可有效防止电 机转予绕组绝缘击穿，同时改善了装置的e m i 特性； 5 ，无需输出变压器，有效的减小了系统的体积和损耗。 经过世界各地学者多年的研究发展，多电平技术主发展出了众多的拓扑结 构，如：二极管箝位式( d i o d ec l a n l p e d ) ；飞跨电容式( f 1 y m gc a p a c i t o r ) ；级联 型多电平交流器( c a s c a d e1 1 l v e r c e r ) 。通用型多电平拓扑( 阳l e r a l i z e dm u l m e v e l t o p 0 1 0 9 y ) 等，各种拓扑结构除了以上多电平结构的共有特点外，还各有其适用 场合和特性，现分别简要介绍如下。 1 2 1 二极管箝位型多电平变流器【8 】鲫0 1 【1 1 】 图卜l 是一个三相二极管中点箝位三电平逆变器主电路结构，其中d 。d 。 ( i = a ，b ，c ) 为筘位二极管。由于分压电容c “= c 。，在系统均压平衡时，有v 。1 ： v “z 2 e d 2 ，带有反并二极管的开关s 。、s j 2 、s i a 、s ，。( i = a ，b ，c ) 中，s 。和s 。、s 。和 s t t 互补。表卜1 是输出状态和开关管的开通对应关系。可以看出，随着不同开 关状态的选取，系统可以输出三种电位，e 。，e d 2 ，o 。通过合理的p w m 调制方法， 则可以获得优于两电平逆变器的输出波形。 图l - 1二极管箝位三电平逆变器主电路拓扑 浙江大学硕士论文 开关状态 s x ls x 2s 妇s x 4 1 o na no f f 0 f f 0 o f fo n o no f f - l o f fo f f o no n 表1 1 三电平变流器开关状态和功率管开通关系 在图1 1 基础上增加分压电容、箝位二极管、功率开关管，即可以得到二极 管箝位的多电平拓扑。一个二极管箝位型变流器的m 个电平可以在直流侧由( m 1 ) 个电容串联产生。图卜2 ( a ) 是传统二极管箝位的多电平变流器结构( 五电平) ； 图卜2 ( b ) 是通常使用的二极管串联筘位的多电平变流器结构( 五电平) ：图卜2 ( c ) 是一种改进型的多电平拓扑结构( 五电平) 。可以看出三种结构使用同样多的功 率管和母线分压电容。但是拓扑( a ) 使用最少的箝位二极管。拓扑( a ) 和拓扑 ( b ) 原理和工作状态是一样的，拓扑( a ) 当系统电平数增加时，箝位二极管上需 要阻断多个电平的电压，为了使用同样等级的箝位管，采用多个二极管串联，就 产生了图l 一2 ( b ) 。这种结构在理想器件特性情况下每个筘位二极管的承受阻断电 压都是一个电平的电压v d c ( m 1 ) 。但也产生了若干串联箝位管的均压问题，由 于器件特性的不一致性和杂散参数的影响，将会导致某些箝位二极管的反向阻断 电压高于一个电平电压，可能g l 起二极管过压而损坏，因此必须选用合适的均压 措施和大量的r c 吸收电路，这样必然会导致系统的体积的庞大和成本的增加。 为此，文献【1 2 中提出了一种改进型的拓扑结构( 见图1 2 ( c ) ) 。该拓扑结构使用 和经典拓扑同样多的二极管，不但主功率的管子被箝位，箝位的二极管也被其它 的箝位二极管箝位，适用于电平数较多的情况。 嚣蜀习 ( a ) ( b ) ( c ) 图1 - 2 改进的二极管箝位多电平变流器拓扑 - 8 - 浙江大学硕士论文 文献 1 3 中提出了一种新型五电平箝位拓扑结构，如图1 3 所示。该电路由 一个两电平变流器桥臂和经典的二极管箝位三电平变流器组成。由于增加了一个 可控桥臂，中点电位可以浮动，所以，只增加了两个开关管就使得输出增加了两 个电平，和经典的二极管籍位五电平变流器相比，少用一个箝位电容、1 0 个开 关管和1 2 个箝位二极管，大大简化了系统，节约了成本。该电路的作用是可以 提高输出电压波形质量，但不足之处是不能提高电压等级。 斟蓑 c l 刮： 型萋 c i 刊毫 型 c 士掣j 一 。l c 捌j k 图1 3 混合二极管箝位的五电平结构 二极管箝位的多电平变流器除了具有一般多电平变流器的特点以外还具有 以下优点：便于双向功率流动，功率因素控制方便。存在的不足是直流侧电容均 压较为复杂和困难。在二极管箝位多电平结构中，三电平变流器的结构具有自动 平衡的能力，是一种非常优异稳定的结构，目前实际应用中的中高压变频器，主 要都是这种拓扑，本文也将其选为主要研究对象。 1 2 。2 飞跨电容型多电平变流器f 1 4 l 【1 5 1 6 】 1 9 9 2 年的p e s c 年会上，t a m e y n a r d 和h f o c h 首先提出了飞跨电容型的 多电平变流器。飞跨电容型三电平变流器的开关组合比二极管箝位型更具灵活 性。对于输出零电位的时候，飞跨电容型有两种开关组合，而二极管筘位的拓扑 结构只有一种。而且当负载电流方向确定的时候，两种不同组合对筘位电容电压 的影响刚好相反，这也是许多文章讨论的箝位电容电压平衡基本原理。飞跨电容 型的拓扑结构也可以拓展到任意电平中，对于一个n 电平变流器，需要每桥臂 2 + ( n 一1 ) 个开关，( n - 1 ) 个分压电容，( n 1 ) ( n 2 ) 2 个箝位电容。 电容筘位型变流器每一相有相同的结构。图1 4 所示为单相五电平电容箝位 浙江大学硕士论文 型变流器。直流侧电容不变，用飞跨电容取代筘位二极管，工作原理与二极管箝 位电路相似。电容箝位型交流器具有电平开关方式组成灵活、对开关器件保护能 力较强等优点，可通过适当选取开关组合方式来处理有功功率的流动，但是同时 开关组合方式的选择也较复杂，而且开关频率较高。和二极管箝位型变流器相类 似，具有电平开关方式组成灵活、对开关器件保护能力较强等优点。这种拓扑结 构虽然省去了大量的二极管，但是又引入了大量的辅助电容，对高压系统而言， 电容体积大，成本高，寿命短，封装难。控制方法也非常复杂，而且随着开关频 率的升高，效率随之降低。限制了其应用的拓展。 图卜4 电容箝位型5 电平变流器 1 。2 3 级联型多电平逆变器【1 硼8 】【1 9 】 把带有独立直流电源的单项全桥逆变器的输出串联，就可以得到本节所讨论 的级联型多电平拓扑。图卜5 为九电平级联变换器的一个桥臂结构，系统的输出 波形是所有逆变单元的合成，每个逆变单元可以输出三个电平电压：+ v 。，0 和 一v 一所以可以在输出v 。上得到幅值在一4 v a 。到+ 4 v d 。，的9 个电平的输出波形，而 且输出阶梯波接近正弦。 = 一= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = g ；2 = = = = = = = = = = 4 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ； 一 - 1 0 - 浙江大学硕士论文 q 卜 晰 i u l ii i f 吒 图卜5 级联多电平拓扑和其相关波形 从上图上不难看出，构成这种变流器不需要筘位电容和箝位二极管，因此它 需要的无源器件相对前两种拓扑结构要少，但是这种变流器需要多个独立的直流 电源。这种变流器扩展到m 电平的时候需要2 ( m 1 ) 个主功率管，( 2 m 1 ) 个反并二 极管和( n l - 1 ) 2 个独立的直流电源。级联多电平拓扑的优点在于：( 1 ) 直流侧采用 相互独立的直流电源，无须均压；( 2 ) 具有模块化的结构特点，设计、制造、安 装方便，所基于的低压、小容量逆变器技术成熟，易于控制，系统的可靠性高； ( 3 ) 对相同的电平数来说，级联结构所需的元器件数目最少；( 4 ) 由于没有电容和 箝位二极管的限制，级联结构的电平数可较大，因而可上更高电压，实现更低谐 波。级联结构的缺点是需要多个独立的直流电源，若用交流整流滤波的方法来实 现，则变压器结构复杂。 1 。2 4 通用型多电平拓扑 文献 2 0 】提出了一种通用型多电平拓扑，现有的二极管箝位和飞跨电容拓扑 可以从此通用型拓扑中推演出来，而且这种拓扑结构可以自动平衡直流电容电 压，不需要任何额外的电路辅助。图1 6 所示为其拓扑结构图，它是由若干个两 电平的桥臂单元组成的，从左到右按金字塔型排列。其开关序列遵循以下原则： ( 1 ) 每条串联的器件组合是独立的开关单元；( 2 ) 任何相邻的器件开关状态互 补；( 3 ) 确定一个器件的开关状态就可以确定一条柱的所有开关状态。每条柱的 最上面和最下面的器件起着主要功率传输的作用，其他中间器件为电容电压提供 浙缸大学硕士论文 筘位和均压。将筘位器件使用二极管或电容替代，即可推演出传统二极管筘位和 电容箝位的多电平拓扑，文献 2 l 】介绍了此种通用型多电平拓扑在d c - d c ， 4 2 v 1 4 v 汽车电源中的应用，此种新型变流器不需要磁元件，控制容易，效率高， 功率密度高，值得予以关注。 “一。一。一一。1 。_ 。 一 圄i 景 图1 6 ，通用型多电平拓扑 1 3 高压大容量的功率器件口2 2 3 】 电力电子器件是电力电子技术的重要基础，也是电力电子技术发展的“龙 头”。从1 9 5 8 年美国通用电气公司研制出世界上第一个工业用普通晶闸管开始， 电能的变换和控制从旋转的变流机组和静止的离子变流器进入由电力电子器件 构成的变流器时代，这标志着电力电子技术的诞生。到了7 0 年代，晶闸管开始 形成由低压小电流到高压大电流的系列产品。同时，非对称晶闸管、逆导晶闸管、 双向晶闸管、光控晶闸管等晶闸管派生器件相继问世， 广泛应用于各种变流装 置。由于它们具有体积小、重量轻、功耗小、效率高、响应快等优点，其研制及 应用得到了飞速发展。 由于普通晶闸管不能自关断，属于半控型器件，因而被称作第一代电力电子 器件。在实际需要的推动下，随着理论研究和工艺水平的不断提高，电力电子器 件在容量和类型等方面得到了很大发展，先后出现了g t r 、g t o 、功率m o s e t 等 自关断、全控型器件，被称为第二代电力电子器件。近年来，电力电子器件正朝 着复合化、模块化及功率集成的方向发展，如i g b t 、m c t 、i p m 等就是这种发展 的产物。 1 2 瑶一一瑙 浙江大学硕士论文 门极可关断晶闸管( g t o ) ，在当前各种自关断器件中，g t o 容量最大、工作 频率最低( 1 2 k h z ) 。g t o 是电流控制型器件，因而在关断时需要很大的反向驱动 电流，g t o 通态压降大、d v d t 及d i d t 耐量低，需要庞大的吸收电路。目前， g t o 虽然在低于2 0 0 0 v 的某些领域内已被r 和i g r t 等所替代，但它在大功率 电力牵引中有明显优势，今后也必将在高压领域占有一席之地。 大功率晶体管( g t r ) ，g t r 是一种电流控制的双极双结电力电子器件，产生 于本世纪7 0 年代，它既具备晶体管的固有特性，又增大了功率容量，因此，由 它所组成的电路灵活、成熟、开关损耗小、开关时间短，在电源、电机控制、通 用逆变器等中等容量、中等频率的电路中应用广泛。g t r 的缺点是驱动电流较大、 耐浪涌电流能力差、易受二次击穿而损坏。在开关电源和u p s 内，g t r 正逐步被 功率m o s f e t 和i g b t 所代替。 功率m o s f e t ：功率m o s f e t 是一种电压控制型单极晶体管，它是通过栅极电 压来控制漏极电流的，因而它的一个显著特点是驱动电路简单、驱动功率小；仅 由多数载流子导电，无少子存储效应，高频特性好，工作频率高达1 0 0 k h z 以上， 为所有电力电子器件中频率之最，因而最适合应用于开关电源、高频感应加热等 高频场合；没有二次击穿问题，安全工作区广，耐破坏性强。功率m 0 s f e t 的缺 点是电流容量小、耐压低、通态压降大，不适宜运用于大功率装置。目前制造水 平大概是1 k v 2 a 2 删z 和6 0 v 2 0 0 a 2 姗z 。 绝缘门极双极型晶体管( i g b t ) ，i g b t 的开关速度低于功率m o s f e t ，却明显 高于g t r ；i g b t 的通态压降同g t r 相近，但比功率m o s f e t 低得多。i g b t 的电流、 电压等级与g t r 接近，而比功率m o s f e t 高。目前，其研制水平已达4 5 0 0 v 1 0 0 0 a 。 由于i g b t 具有上述特点，在中等功率容量( 6 0 0 v 以上) 的u p s 、开关电源及交流 电机控制用p w m 逆变器中，i g b t 已逐步替代g t r 成为核心元件。另外，i r 公司 已设计出开关频率高达1 5 0 l ( h z 的w a r p 系列4 0 0 6 0 0 v i g b t ，其开关特性与功率 m o s f e t 接近，而导通损耗却比功率m o s f e t 低得多。该系列i g b t 有望在高频 1 5 0 k h z 整流器中取代功率m o s f e t ，并大大降低开关损耗。i g b t 的发展方向是提 高耐压能力和开关频率、降低损耗以及开发具有集成保护功能的智能产品。 i p m 除了集成功率器件和驱动电路以外，还集成了过压、过流、过热等故障 监测电路，并可将监测信号传送至c p u ，以保证i 蹦自身在任何情况下不受损坏。 浙江大学硕士论文 当前，i p m 中的功率器件一般由i g b t 充当。由于i p m 体积小、可靠性高、使用 方便，故深受用户喜爱。i p m 主要用于交流电机控制、家用电器等。 电力电子器件技术从最初到现在主要经历了三次主要变革从结型控制 器件、场控器件到智能功率器件。有人预言s i c 器件将是第四代功率器件，s i c 功率器件的开关频率可以提高几个数量级，通态损耗和开关损耗可以在目前技术 的基础之上减少一个数量级，今后十年内，碳化硅器件可能会有突破性的发展， 并推动中高压变频技术进入新的时代。 1 4 本文的主要目标和研究成果 本文的主要研究目标是开发5 0 l i v a 二极管箝位三电平变流器的硬件，控制技 术以及其在电机调速中的应用。本文在第二章中详细讨论了5 0 l 淞实验样机系 统的设计，介绍了设计和实现过程，总结了工作经验；在第三章中讨论了多电平 变流器在电机调速中的初步应用；并给出了实验结果和波形。 本文研究成果主要包括以下几个方面： a ) 详尽的研究了二极管筘位三电平变流器的工作状态，设计要点和难 点，建立了一台5 0 k v a 实验样机并进行了细致的调试。 b ) 介绍了设计过程中的器件、材料选择；驱动保护电路原理和设计：层 叠式直流母线的设计方法和优点；计算机辅助的三维结构设计：驱动 保护电路的测试方法；基于d s p 和c p l d 的数字控制平台；以及大 功率电力电子设备硬件设计的一些经验和心得 c ) 初步探讨了多电平技术在中压电机驱动上的应用，建立了以本样机驱 动交流感应电机的转速开环恒压频比调速系统和转速闭环转差频率 控制调速系统。 = z ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= 一= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = ；= 一 1 4 浙江大学硕士论文 第二章5 0 k v a 实验样机设计 2 1 功率电路设计 本文选用的实验拓扑为二极管箝位三电平逆变器，系统采用模块化设计，设 计容量为5 0 k 、，a ，输入采用二极管不控整流，拓扑图如图2 1 所示，按照此结构 建立5 0 k v a 三相三电平逆变器样机。 图2 - 1 ，二极管箝位三电平交直交电路拓扑 样机设计参数为： 输入电压： 直流母线电压最大值 输出三相电压： 额定输出电流： 最大输出电流： 输出频率： o 1 2 0 0 v a c 1 6 0 0 v o 1 2 0 0 v a c 4 0 a r m s 6 0 a r m s o 1 8 0 h z 建立硬件电路需要的主要器件包括直流母线电容，功率开关器件i g b t ，母 线箝位二极管模块，输入整流二极管模块，散热器等。 2 1 1 母线电容的选择 直流母线电容起到储存能量，保证逆变模块为电压源特性的作用。在逆变器 工作在高频状态下时，输出电流应为包含有少量谐波的基频正弦电流，所以电容 1 5 - 浙江大学硕士论文 的设计与选取应综合考虑逆变器的交流基波电压和电流情况。基本的直流母线电 容容量应满足式2 1 = 是 式2 1 其中为直流母线的最大允许电压波动。系统输入为二极管整流，含有大 量的基波六次谐波，所以每1 ，6 周期母线出现电压波动最大值。假设三相电流输 出对称，输入输出频率相同，则式2 1 中的电量q 最大值为： 1 ，6 ，1 ，2 r q = j 拒8 k + | c o s ( 2 石+ 厂4 f ) i 盛+ 压+ k l c o s ( 2 万+ 厂+ f ) 出+ o l 3 ， 5 ，6 ， 压+ k + l c 0 s ( 2 石+ 厂+ f ) i 班 式2 2 2 3 ， i m 。为逆变器输出的电流有效值，f 为基波频率，由式2 1 和式2 2 可以得出 在母线允许波动额定电压l o 内时的电容值为4 1 h l f 。 母线电压波动会导致输出波形畸变，而电容通过的交流纹波电流则直接决定 了电容的发热情况。电容器的总温升应该限制在其标称的温度允许范围内，否则 不仅会导致性能下降，甚至可能发生危险。系统在额定输出时，要求电容可以承 受交流电流4 0 加m s 。 综上考虑，母线电容选用1 6 只h i c o n 础g 3 3 2 变频器用电容。构成4 只 并联4 只串联的阵列。电容额定电压4 0 0 v ，浪涌电压4 5 0 v ，标称电容量3 3 0 0 u f ， 最大纹波电流1 1 8 a 玎n s ，尺寸6 4 + 1 1 5 m m ( d + l ) 2 1 2 功率器件的选择 功率开关器件的选取应考虑适宜的额定电压和额定电流。系统母线最大直流 电匪为1 6 0 0 v ，每一桥臂在任意开关时序内都有至少两个功率器件是关断的，所 以可以使用1 2 0 0 v 等级的器件。当i g b t 模块的集电极电流变大时，集电极和发 射极间饱和电压v c e ( s a t ) 上升，发生的通态损耗也就变大，同时器件动作时的交 换损耗也同时增大，从而使元件的发热增加。由于需要将i g b t 和模块内部反并 联快恢复二极管( f w d ) 的结温控制在( t j ) 1 5 0 。c 使用，因此选定i g b t 模块的 一= = = 2 = ；= = = = = = = ；= # = = # = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = # ；= = ；= = = = ；= = = = = = = = = = a 口= = = = = = = 1 6 浙江大学硕士论文 额定电流非常重要。在最大电流应力的基础上，留取一倍的裕量，选用富士公司 的i g b t 模块2 m b l l o o u a 1 2 0 ，其耐压为1 2 0 0 v ，最大电流容量为1 0 0 a ，一个 模块由两个i g b t 单元构成，每个i g b t 带有反并联的快恢复二极管，反向恢复 时间在1 0 0 n s 左右。 为了器件特性的一致性和系统设计的方便，样机中的母线箝位二极管也使用 此i g b t 模块中的反并二极管。将模块中的i g b t 驱动端封锁( 使用焊锡短路) ， 只使用其快恢复二极管。 输入整流管使用西安西正半导体公司的二极管管模块m d c l l 0 a 2 2 ，其额定 电压2 2 0 0 v ，额定电流1 1 0 a ，一个模块包含两个二极管单元。 2 2 层叠式直流母线 功率器件开关动作时的电压电流应力和主回路中的寄生电感有着非常大的 关系。i g b t 处理一定的d i d t 时，产生的电压尖峰是和寄生电感大小成比例的， 而且d 诎自己也受到寄生电感的影响。在功率器件工作在感性负载下，器件开 通时，意味着其对应的反并二极管的关闭，二极管表现反向恢复特性，在此期间 较大的电流从二极管中通过，对应着就产生电压尖峰。此电压尖峰可以导致很恶 劣的问题，如造成器件过压，增加输出谐波，产生严重e m i 源等，通常是我们 所着力想要避免的。通过调整选择合适的门级驱动电阻可以控制器件的开通速 度，驱动电阻选的大一点，开通速度就慢一些，二极管的反向恢复问题可以得到 相应的抑制，但同时也会导致功率期间中更大的交换损耗。合适选取驱动电阻的 大小可以得到一个比较折中的结果。但是器件的关断时间受驱动电阻的影响不 大。电压电流尖峰就直接决定于外部参数( 寄生电感电容) 的影响，寄生电容 主要决定于功率器件内部的结构，寄生电感则取决于器件的外部导体的排列情 况。所以为了提高系统的性能，保证系统的可靠性，减小开关过程中产生的电应 力，必须尽可能的减少线路中的寄生电感。层叠式直流母线就为此提供了一个比 较好的解决方案 众所周知，直流侧储能电容到功率器件中的连接可以使用的材料主要有如下 几种 浙江大学硕士论文 1 ，印刷电路板( p c b ) ，因为铜层的厚度有限，主要用于小功率的场合； 2 ，电缆绞线，价格便宜，使用方便，但其自感和互感非常大，导致性能很 差： 3 ，铜条，板，应用广泛，使用方便，但彼此之间的互感依然较大； 4 ，层叠式直流母线结构。 层叠直流母线可以非常有效的降低回路的寄生电感。此种结构是指将多层铜 板叠放在一起，层与层间使用绝缘导热材料制成的薄膜隔离，并粘合封装到一起 的一种直流电容和功率器件连接结构。它具有的优点有： a )减少电感，扁而平的并行导体可以有效减少自感，而且层叠铜板中流 过相反方向的电流，可以很大程度的抵消产生的磁场，减少寄生互感； b )增加导电面积，减少阻抗； c )降低成本，提高可靠性，工业应用中，母线排可以统一批量生产，其 整体的结构减少了烦琐的连线，根除了接线错误。可以使电力电子装 置具有更简洁坚固的结构，更可靠的性能。大量生产时更可降低装配 的人工成本； d ) e m i 屏蔽性能，i g b t 器件一般都安装在母线排的一侧，铜板不仅可以 改善电压电流波形减少e m i 的根源，而且对电磁辐射干扰也有很好的 屏蔽作用； e ) 改善热特性，呈平板形状的铜层以及层与层之间的导热材料对于产品 的热传导性能，通风情况都有很大改善。为产品热设计提供方便。 2 3 三维结构设计 良好的结构设计是电力电子装置能否拥有稳定，优良性能的必要条件之一， 本样机中所有接线全部使用b u sb a r 结构，包括直流母线，电容连接，三电平 中点，二极管箝位接线，输出线等，共使用铜板1 7 块。b u s b a r 结构示意图见 图2 2 。 - 1 8 - 浙江大学硕士论文 圈2 - 2 ，样机b u s b a r 设计示意图 功率电力电子装置的空间结构的设计对整个系统而言是至关重要的一个环 节，对于此三电平逆变器样机，不仅要从系统的角度考虑功率模块，控制电路， 采样，保护电路，电容，散热器等的结构位置，而且还要从系统散热的角度设计 功率器件和散热器之间的位置，设计风道，从而达到最佳的散热效果；更要综合 考虑系统的盼皿，e m c 性能。尤其在对直流母线设计的时候，一个微小的尺寸差 异都可能导致设计的失败。在复杂系统的设计初期，难以将所有的问题全部考虑 周到，为了避免不必要的返工，缩短设计周期，更为了获得更好的性能，利用计 算机辅助设计软件进行预分析就显得非常必要。 在本样机的设计过程中，采用了e d s 公司的专业3 d 结构设计软件 u n i g r a p h i c s 。它具有强大的曲线设计，实体造型，曲面设计，虚拟装配，艺术渲 染，动画制作和生产工程图等功能。通过对本样机中的所有器件的实体建模和模 拟装配，可以直观的观察研究设计的最终结果。对器件的定位将十分准确，尤其 为层叠直流母线的精确设计提供了很大的帮助。同时也可以生成a u l dc a d 工 程图纸，为材料加工提供了便利。 经过草图设计，产生了4 种可行的结构设计方案，通过他们的比较分析，最 终定型的主电路基本结构如图2 3 所示 - 1 9 - 浙江大学硕士论文 图2 3 功率主电路基本结构图 九个i g b t 模块，三个整流管模块，一个电流采样模块，一个输入输出段子 被固定在散热片上。其上安放并连接设计成u 形槽状的层叠直流母线 ( b u s b a r ) ，铜板层数从1 到4 层不等，1 6 个储能电容被水平安放在散热器上 方，实际安装时两面用板固定。i g b t 模块的驱动电路竖直安放在u 形槽母线中 间，并通过短小的导线连接到i g b t 端子上。 整体最终效果图如图2 - 4 所示 图2 4 ，系统三维建模效果图 浙江大学硕士论文 系统硬件结构设计主要有如下方面的考虑 1 ) 结构紧凑，功率密度高，充分利用空间， 2 ) 纵向风道流畅，利于散热 3 1 驱动电路处于b u s b a r 铜板的包围中，可有效降低功率模块对其的 辐射干扰 4 ) 作为三电平模块利于级联，可组成更高功率等级的级联多电平系统。 结构设计通过验证后，即进入硬件组装施工环节，u h i g r a p l l i c s 可以生成c a d 图纸，对各个元件的定位孔精确到o 5 毫米，为铜板加工和组装提供了极大的方 便和精确性。 其中b u s b a r 若干组件的c a d 图如下，2 5 ( a ) 为母线中点铜排结构， 2 5 ( b ) 为负母线铜排结构。 ( a ) 图2 - 5 b u s b a r 组件c a d 图 2 4 样机设计和安装的一些注意事项 中功率等级电力电子功率系统的设计和安装有一些特殊的要求，通过本次样 机的设计与实践，现将一些大功率系统设计和安装需要的经验和注意事项总结如 下： 1 ) 功率器件尽可能的摆放在散热片的中心以减小热阻，功耗越大的器件 越应该放置在中心；器件应根据风扇的风向留出风道，防止器件背对 风扇一侧形成热点( 如果风扇对吹可不考虑这点) 。 2 ) 直流侧的滤波电容应选用无感电容，其位置应与散热片保持一定距 离，防止靠近散热片一端过热对寿命造成影响。 2 1 浙江大学硕士论文 3 )功率器件基板与散热片之间应均匀涂敷适量导热硅脂，随着器件与散 热器通过螺钉夹紧，使器件基板与散热片均一接触。 4 )功率器件安装时，螺钉的力矩大小有明确规定：力矩不足，将使接触 热阻变大，或在动作中松动；力矩过大，会引起外壳破坏，甚至损害 内部芯片。功率器件安装螺钉的力矩在数据手册中可以查到，应严格 按照推荐力矩予以安装。可以使用力矩扳手控制安装力矩的大小。 5 ) 直流母线的过孔应做成圆形，四周边角应用挫磨平。防止刺穿绝缘材 料造成短路或绝缘隐患 6 ) 直流母线和功率器件的断口之间如不在同平面，导电不可以直接用 螺钉完成，应用铜片垫起，避免过大的应力产生。 7 ) 流过大电流的导线与铜鼻端口之间的连接要压制而成，不能用焊锡焊 接。否则当电流过大的时候焊锡极易熔化，导致连接断路；另外焊锡 与铜的电导率也不同。 8 ) 输入输出母线与外部直流输入端以及外部交流输入端要采用铜条连 接。 9 ) 功率器件的驱动管脚在不用的时候应套上防静电泡末，防止驱动管脚 之间的静电积累超过2 0 v 以上，损坏内部芯片。不使用i g b t 的模块 门级应用焊锡短接 1 0 ) 功率器件应放置在干燥阴凉的环境里，其端口和基板应保持表面光 滑，不能随便用手接触，防止手上汗渍留在表面上引起表面氧化，增 大了接触热阻。 1 1 ) 功率器件的驱动引脚不应直接焊接在驱动电路板上，应制作合适的插 座。 1 2 ) 硬件制作完成后要做无尘化处理，杜绝金属屑的存在，实际操作中我 们使用了空气压缩机对硬件进行净化除尘。 完工后的三电平样机如图2 6 所示 - 2 2 - 浙江大学硕士论文 图2 65 0 k v a 三电平逆变模块 2 5 驱动与保护电路设计 2 5 1 驱动电路 使用大功率i g b t 模块时，需要建立完全电气独立的驱动电路。一个典型的 门级驱动电路示意图如图2 - 7 所示，每个i g b t 单元需要一个独立电源，对输入 信号的放大电路和故障信号的反馈电路。他们各自之间都应该是电气隔离的，而 且应该满足如下要求： 1 ) 稳定的开、关状态输出电压； 2 ) 足够的电流输出能力； 3 ) 功率器件高电压和控制电路的隔离； 4 ) 过流保护功能。 浙江大学硕士论文 辆i ； c p 石文i u飘| ； 图2 7 隔离驱动电路框图 i g b t 的交换性能主要是随驱动电压士v o e 和驱动电阻r g 变化的，应综合考 虑系统的开关时间，短路耐受量等因素进行参数选取，主要的影响见下表： 主要特性+ v g e 上升- v 0 e 上升 r g 上升 饱和电压v c e ( 。缸) 减少 开通时间 减少 增加 开通损耗e 。 关断时间t 0 百 减少增加 关断损耗e 。行 开通浪涌电压 增加减少 关断浪涌电压增加减少 d “d t 误触发 增加 减少 减少 电流限制值增加减少 短路最大耐受量降低增加 放射杂波增加减少 表2 1i g b t 的驱动条件和主要特性的关系 i g b t 的门极为m o s f e t 构造，在器件开通和关断时对应的就是对其门极的 充电和放电过程，所以控制开通时间等特性的过程就是控制其门极充放电荷特性 的过程，所选用的i g b t 动态门极充电特性图如图2 8 所示。因为门极充放电最 大电流由驱动电阻r g 决定，所以r g 对i g b t 的动态特性有着非常重要的影响。 i k 越小，充放电速度越快，开关速度越快，交换损耗越小。但是因为器件开通 时也伴随着其反并二极管的反向恢复过程，在硬开关感性负载状态时，大的反向 恢复电流会