中心議題：

• 大功率變頻電源的優化方案

解決方案：

• 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mu前qian市shi場chang上shang的de大da功gong率lv變bian頻pin電dian源yuan在zai使shi用yong中zhong不bu同tong程cheng度du地di暴bao露lu出chu一yi些xie問wen題ti，例li如ru對dui電dian網wang汙wu染ran問wen題ti和he整zheng機ji可ke靠kao性xing問wen題ti，給gei用yong戶hu造zao成cheng很hen大da的de不bu便bian。為wei滿man足zu市shi場chang的de需xu求qiu，迫po切qie需xu要yao研yan製zhi可ke靠kao性xing高gao且qie環huan保bao的de大da功gong率lv變bian頻pin電dian源yuan。為wei此ci我wo公gong司si集ji中zhong力li量liang
，完wan全quan按an照zhao國guo家jia軍jun標biao要yao求qiu
，針zhen對dui大da功gong率lv變bian頻pin電dian源yuan主zhu電dian路lu功gong率lv器qi件jian上shang的de電dian流liu大da和he電dian路lu的de耗hao散san功gong率lv大da，散san熱re問wen題ti嚴yan重zhong以yi及ji對dui電dian網wang汙wu染ran大da等deng特te點dian，主zhu要yao從cong整zheng流liu電dian路lu，吸xi收shou電dian路lu，過guo流liu保bao護hu和he直zhi流liu母mu線xian等deng方fang麵mian對dui大da功gong率lv變bian頻pin電dian源yuan進jin行xing了le優you化hua設she計ji，研yan製zhi出chu了le高gao可ke靠kao性xing的de700KVA的三進三出的大功率變頻電源。

1 整流電路的改進

對dui三san相xiang輸shu入ru的de變bian頻pin電dian源yuan
，一yi般ban采cai用yong三san相xiang橋qiao式shi不bu可ke控kong整zheng流liu，直zhi流liu側ce采cai用yong電dian容rong濾lv波bo。這zhe種zhong電dian路lu輸shu入ru電dian流liu的de基ji波bo分fen量liang相xiang位wei與yu電dian源yuan電dian壓ya相xiang位wei大da體ti相xiang同tong，因yin而er基ji波bo功gong率lv因yin數shu接jie近jin1。danqishurudianliudexiebofenliangquehenda
，geidianwangzaochengyanzhongwuran，yeshidezongdegonglvyinshuhendi。xieboshigongyongdianwangzhongdeyuanjianchanshenglefujiadexiebosunhao
，jiangdilefadian
、輸shu電dian及ji用yong電dian設she備bei的de效xiao率lv
，大da量liang的de諧xie波bo流liu過guo中zhong性xing線xian時shi會hui使shi線xian路lu過guo熱re甚shen至zhi發fa生sheng火huo災zai。諧xie波bo還hai會hui對dui鄰lin近jin的de係xi統tong產chan生sheng幹gan擾rao


，重zhong者zhe使shi係xi統tong無wu法fa正zheng常chang工gong作zuo。


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於小功率的變頻電源，缺點是通過的電流小。
2）圓銅導線是最常用的功率母線
，適用於中功率變頻電源
，缺點是寄生電感大。
3）寬度2、3cm
，厚度2

、3mm的窄銅條，適用於中功率的變頻電源
，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，由於從直流儲能電容至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失控並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製在允許範圍內，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。由於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die層ceng功gong率lv母mu線xian基ji於yu電dian磁ci場chang理li論lun
，把ba連lian線xian做zuo成cheng扁bian平ping截jie麵mian，在zai同tong樣yang截jie麵mian下xia做zuo得de越yue薄bo越yue寬kuan，它ta的de寄ji生sheng電dian感gan越yue小xiao，相xiang鄰lin導dao線xian內nei流liu過guo相xiang反fan的de電dian流liu，其qi磁ci場chang抵di消xiao，也ye可ke使shi寄ji生sheng電dian感gan減jian小xiao。所suo謂wei迭die層ceng功gong率lv母mu線xian是shi以yi又you薄bo又you寬kuan的de銅tong排pai形xing式shi迭die放fang在zai一yi起qi，各ge層ceng之zhi間jian用yong高gao絕jue緣yuan強qiang度du的de材cai料liao隔ge離li
，整zheng個ge母mu線xian極ji之zhi間jian的de距ju離li比bi較jiao一yi致zhi
，以yi減jian少shao互hu感gan

，各ge層ceng銅tong排pai都dou在zai所suo需xu要yao的de端duan子zi位wei置zhi處chu同tong其qi他ta層ceng可ke靠kao絕jue緣yuan地di引yin出chu，使shi所suo具ju有you不bu同tong電dian位wei的de端duan子zi表biao露lu在zai同tong一yi平ping麵mian上shang，以yi便bian於yu把ba主zhu電dian路lu中zhong的de所suo有you器qi件jian與yu之zhi相xiang連lian。使shi用yong迭die層ceng功gong率lv母mu線xian將jiangIGBT和整流管等模塊、散熱器、電dian容rong器qi組zu合he在zai一yi起qi，迭die層ceng功gong率lv母mu線xian與yu器qi件jian之zhi間jian的de連lian接jie是shi用yong不bu同tong的de端duan子zi和he插cha接jie件jian等deng來lai完wan成cheng的de，以yi便bian相xiang連lian接jie時shi的de接jie觸chu表biao麵mian與yu母mu線xian之zhi間jian的de接jie觸chu電dian阻zu非fei常chang小xiao，也ye使shi得de寄ji生sheng電dian感gan成cheng數shu量liang級ji地di減jian小xiao
，從cong而er使shiLdi/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於寬度，同時寬度遠大於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遠小於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(shi)用(yong)迭(die)層(ceng)功(gong)率(lv)母(mu)線(xian)除(chu)了(le)使(shi)寄(ji)生(sheng)電(dian)感(gan)減(jian)小(xiao)外(wai)
，還(hai)能(neng)使(shi)空(kong)間(jian)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾(rao)降(jiang)低(di)。根(gen)據(ju)電(dian)磁(ci)場(chang)理(li)論(lun)，當(dang)導(dao)體(ti)中(zhong)有(you)電(dian)流(liu)流(liu)過(guo)時(shi)，會(hui)在(zai)空(kong)間(jian)任(ren)何(he)一(yi)點(dian)產(chan)生(sheng)磁(ci)場(chang)。設(she)空(kong)間(jian)某(mou)點(dian)的(de)磁(ci)場(chang)用(yong)磁(ci)感(gan)的(de)磁(ci)導(dao)率(lv)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幹擾盡可能小

，應使盡可能小
，即正負極板之間的中心距盡可能小。
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3 增加直流偏磁電路

隨sui著zhe變bian頻pin電dian源yuan功gong率lv的de加jia大da，不bu得de不bu考kao慮lv主zhu變bian壓ya器qi的de偏pian磁ci問wen題ti，偏pian磁ci的de後hou果guo是shi十shi分fen嚴yan重zhong的de
，輕qing則ze會hui使shi變bian壓ya器qi和he功gong率lv半ban導dao體ti模mo塊kuai的de功gong耗hao增zeng加jia
，溫wen升sheng加jia劇ju，變bian壓ya器qi的de機ji械xie噪zao聲sheng增zeng大da，嚴yan重zhong時shi還hai會hui損sun壞huai功gong率lv器qi件jian
，使shi變bian頻pin電dian源yuan不bu能neng正zheng常chang工gong作zuo。因yin此ci，為wei了le提ti高gao大da功gong率lv變bian頻pin電dian源yuan的de可ke靠kao性xing，必bi須xu增zeng加jia抗kang偏pian磁ci電dian路lu。

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於SPWM全(quan)橋(qiao)逆(ni)變(bian)器(qi)，減(jian)小(xiao)控(kong)製(zhi)電(dian)路(lu)的(de)脈(mai)寬(kuan)失(shi)真(zhen)和(he)驅(qu)動(dong)延(yan)時(shi)
，其(qi)次(ci)變(bian)壓(ya)器(qi)鐵(tie)心(xin)加(jia)氣(qi)隙(xi)
，增(zeng)加(jia)鐵(tie)心(xin)的(de)磁(ci)阻(zu)，提(ti)高(gao)變(bian)壓(ya)器(qi)抗(kang)直(zhi)流(liu)偏(pian)磁(ci)的(de)能(neng)力(li)，最(zui)後(hou)采(cai)用(yong)抗(kang)偏(pian)磁(ci)電(dian)路(lu)。

由於在輸出變壓器中，勵磁電流一般僅占原邊電流的2％
，因yin此ci原yuan邊bian電dian流liu直zhi流liu分fen量liang的de檢jian測ce必bi須xu首shou先xian濾lv除chu勵li磁ci電dian流liu中zhong的de基ji波bo及ji高gao頻pin成cheng分fen，然ran後hou再zai將jiang剩sheng下xia的de直zhi流liu分fen量liang放fang大da後hou用yong於yu控kong製zhi。勵li磁ci電dian流liu中zhong直zhi流liu分fen量liang的de提ti取qu可ke先xian由you霍huo爾er電dian流liu傳chuan感gan器qi檢jian測ce變bian壓ya器qi的de原yuan邊bian電dian流liu，再zai經jing有you源yuan濾lv波bo，最zui後hou送song到daoPID調節器中，其雙閉環控製原理框圖為如圖3所示。

shijishangshitongguoduinibianqideshuchudianliuyinrufufankui，xianzhizhudianluzhongdezhiliufenliang，yifangzhibianyaqichanshengpianci。zhezhongkangpiancidianludetiaojiefangfashixianlezhiliupiancidezidongtiaojie，zaigegegongzuodianjunnenghenhaodefangzhizhiliupiancidechansheng。

此方案優點在於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，對於變頻電源C﹑E間的過壓一般采用如圖4所示的電路，安裝緩衝電路抑製集電極
、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 緩衝吸收電路

圖5為采用緩衝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是由緩衝電路的寄生電感LS和緩衝二極管的正向恢複引起的。其主要部分取決於寄生電感LS：


di/dt為關斷瞬間或二極管恢複瞬間的di/dt。di/dt最差情況接近0.02A/ns×IC，如果ΔV1的限值已經確定，緩衝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限製在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衝電路。隨著IGBT電流的增加，C、E的距離不斷變大，所用緩衝電容和緩衝器電阻也越來越多，緩衝電路的PCB板也變得很大，緩衝電路的寄生電感很難做到十幾 nH 以下
，ΔV1限製在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使用緩衝電路有可能還不如不用緩衝電路的效果好，若緩衝電路設計不好，可能會增加尖峰電壓。因此我們去掉緩衝電路板，隻在C、E上並聯無感電容
，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，不同之處在於：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san是shi在zai分fen散san過guo流liu檢jian測ce通tong道dao串chuan入ru快kuai速su光guang電dian耦ou合he器qi
，利li用yong分fen散san過guo流liu保bao護hu通tong道dao，響xiang應ying集ji中zhong過guo流liu信xin號hao的de要yao求qiu，利li用yong驅qu動dong模mo塊kuai內nei部bu的de過guo流liu保bao護hu電dian路lu對duiIGBT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，qishuchusanjiguanyukuaihuifuerjiguanxiangchuanlian
，dangbianyaqiyuanbiandianliumeiyouchaoguoshedingdeyuzhishi，wujizhongguoliuxinhao，cishiguangoudeshuruceerjiguanchuyudaotongzhuangtai，zaifensanguoliujiancetongdaozhongchuanrudeguangoubuhuiyingxiangfensanguoliubaohugongneng
，dangbianyaqiyuanbiandianliuchaoguoshedingdeyuzhishi
，chanshengjizhongguoliuxinhao
，cishiguangoudeshuruceerjiguanxunsuguanduan
，kuaisuguangoudeshuchucesanjiguanxunsuguanduan，M57962的1腳將懸空
，此時IGBT如果仍處於導通狀態，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
，並嚴格按照國家軍標要求
，我們研製了三台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。