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(guó)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(zhǎng)，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(méi)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(wèn)題：①母排過(guò)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(zhǎng)時(shí)間處于滿功率運(yùn)行狀態(tài)，容易導(dǎo)致母排過(guò)熱;②母排電感過(guò)大，產(chǎn)生過(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)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(jiǎn)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(zhǎng)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(wèn)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(lái)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(guò)厚的銅排，因?yàn)殡娏髁鬟^(guò)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(méi)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(guò)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(guò)改變門極驅(qū)動(dòng)電阻的值來(lái)減小di/dt，將導(dǎo)致開通和關(guān)斷的時(shí)間延長(zhǎng)，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(lái)挑戰(zhàn)。所以靠減小di/dt來(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)度;w為疊層母排寬度。從式(3)可看出，母排長(zhǎng)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(wú)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(zhǎng)、發(fā)熱少等諸多優(yōu)點(diǎn)，正獲得越來(lái)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(jiǎn)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(wèn)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

⑵ 盡量避免使用大容量的超級(jí)電容，如圖2(a)所示，電流路徑有交叉，電感大;多電容并聯(lián)可以改善電流流向，如圖2(b)所示，正負(fù)極電流路徑盡可能重疊，能抵消更多的高頻磁場(chǎng)，從而減低回路中的電感。

(a) (b)

圖2 多電容并聯(lián)設(shè)計(jì)與單電容設(shè)計(jì)電流路徑示意圖

3.2 避免功率器件受到過(guò)大的外力

功率器件都比較“嬌氣”，不能承受較大的外力，作為直接和功率器件連接的母排設(shè)計(jì)就必須注意這一點(diǎn)，盡可能減小功率器件受力狀況。通常采用的措施有以下幾點(diǎn)。

⑴ 在空間大小允許的情況下，應(yīng)在母排靠近功率器件的地方設(shè)置支撐，將一部分外力轉(zhuǎn)移到支撐零件上，以改善功率器件受力情況，如圖3所示。

支撐件

圖3 帶支撐的母排安裝示意圖

⑵ 母排引腳退火處理，增加引腳的塑性變形能力。退火后硬度極大降低，而對(duì)導(dǎo)電率幾乎無(wú)影響，如表1所示。

表1 退火前后的硬度和導(dǎo)電率比較

硬度導(dǎo)電率

局部退火前89HV30101%IACS

局部退火后46HV3099～102%IACS

⑶ 母排引腳安裝孔設(shè)計(jì)成長(zhǎng)圓孔，以彌補(bǔ)制造和安裝誤差，從而改善功率器件受力。

⑷ 在引腳上增加細(xì)長(zhǎng)缺口，增加引腳的彈性和塑性變形能力，如圖4所示。

圖4 母排引腳上開細(xì)長(zhǎng)缺口

3.3 多功率器件并聯(lián)時(shí)的母排設(shè)計(jì)。

目前，MW級(jí)風(fēng)機(jī)已經(jīng)占據(jù)了主流市場(chǎng)，并且向更高功率等級(jí)發(fā)展，單個(gè)功率器件已不能滿足要求，多個(gè)功率器件并聯(lián)是必然的選擇。兩個(gè)或兩個(gè)以上的功率器件并聯(lián)，母排上的電容分布應(yīng)盡量考慮相對(duì)于功率器件對(duì)稱，有利于各功率器件的均流，同時(shí)也避免個(gè)別的電容因承受較大的電流而發(fā)熱嚴(yán)重。如圖5所示，為某大功率變流器的網(wǎng)側(cè)變流器一項(xiàng)模組，由兩個(gè)FF1400R17IP4英飛凌IGBT并聯(lián)。母排設(shè)計(jì)成關(guān)于兩個(gè)IGBT中心完全對(duì)稱，從實(shí)際測(cè)試結(jié)果看，各項(xiàng)參數(shù)良好，獲得了比較理想的波形，并在長(zhǎng)時(shí)間帶載測(cè)試過(guò)程中運(yùn)行穩(wěn)定。

圖5 典型的并聯(lián)IGBT直流側(cè)母排設(shè)計(jì)

3.4 避免設(shè)計(jì)尺寸過(guò)大的母排

母排尺寸越大越容易變形，加大了母排加工制造和安裝的難度，并且還會(huì)導(dǎo)致支撐電容發(fā)熱不均衡性增大，距離功率器件近的電容會(huì)急劇發(fā)熱，嚴(yán)重影響電容壽命，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致電容失效。另外，過(guò)大的母排帶來(lái)維修不便且增加維修成本，如果母排局部有一點(diǎn)損壞，就必須將整個(gè)母排更換掉，維護(hù)成本大大增加。因此，在條件允許的條件下，可以將大尺寸母排拆分成幾個(gè)小母排，以避免上述缺點(diǎn)，并增加相關(guān)部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的靈活性。

3.5 母排的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

目前，常用的疊層母排結(jié)構(gòu)有下面4種形式。

(1)多層銅板+層間絕緣

圖6 銅板裸露

這種結(jié)構(gòu)疊層母排，主要特點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但是防護(hù)性差，主要應(yīng)用于承載電流電壓均較小且處在內(nèi)陸干燥地區(qū)的變流器上，MW級(jí)的變流器的主功率回路中基本上不采用此種結(jié)構(gòu)。

(2)多層銅板+層間絕緣+樹脂噴涂

圖7 樹脂噴涂

此種母排采用耐老化、耐腐蝕的高性能絕緣粉末，通過(guò)壓合和噴涂技術(shù)制作而成。噴涂層厚度可以調(diào)節(jié)，一般可以做到0.2mm-1mm之間，主要看具體應(yīng)用環(huán)境和電性能要求。當(dāng)母排結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜時(shí)，采用樹脂噴涂有一定的優(yōu)勢(shì)。

(3)多層銅板+層間絕緣+絕緣包覆+樹脂灌膠/環(huán)氧封邊

圖8 樹脂灌膠

(4)多層銅板+層間絕緣+絕緣包覆(壓合封邊)

圖9 壓合封邊

此種母排結(jié)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，全密封結(jié)構(gòu)有效防止了因灰塵、潮氣而導(dǎo)致的絕緣性能下降，可在最大相對(duì)濕度95%的環(huán)境中長(zhǎng)期工作。當(dāng)變流器應(yīng)用在近海或沙漠等環(huán)境較惡劣的地區(qū)，母排設(shè)計(jì)除了適當(dāng)加大爬電距離和電氣間隙外，還應(yīng)加大對(duì)載流銅板的防護(hù)，采用壓合封邊這種結(jié)構(gòu)是比較理想的選擇。

5 設(shè)計(jì)實(shí)例

圖10為某型號(hào)風(fēng)電變流器功率模組的初始結(jié)構(gòu)三維圖，該模組的直流側(cè)母排由前模塊母排、后模塊母排和連接母排構(gòu)成，此3個(gè)母排均為開放式的疊層母排。然而，在風(fēng)場(chǎng)運(yùn)行過(guò)程中，頻頻出現(xiàn)IPM(智能功率模塊)炸毀現(xiàn)象。經(jīng)分析，引起IPM炸毀可能有以下3個(gè)原因：①母排設(shè)計(jì)不合理，電感大，模塊在關(guān)斷過(guò)程中出現(xiàn)比較高的電壓尖峰，當(dāng)電壓尖峰超過(guò)IPM承受的極限時(shí)，模塊炸毀;②由于風(fēng)場(chǎng)沙漠化比較嚴(yán)重，灰塵比較大，母排上積聚了大量灰塵，導(dǎo)致母排正負(fù)極出現(xiàn)打火放電，模塊過(guò)流炸毀;③疊層母排的層間絕緣采用的是0.7mm厚的環(huán)氧樹脂板，如果環(huán)氧樹脂板本身有劃傷，在變流器運(yùn)行時(shí)，該疊層母排可能會(huì)出現(xiàn)局部放電，日積月累，導(dǎo)致層間絕緣被擊穿。所有的問(wèn)題都指向母排。

 圖11優(yōu)化后的母排設(shè)計(jì)

所以，我們對(duì)母排進(jìn)行了優(yōu)化，如圖11所示，將原來(lái)的3個(gè)母排合成一個(gè)母排，極大降低了回路中的雜散電感，經(jīng)測(cè)算，直流側(cè)母排電感由原來(lái)的89nH左右下降至43nH左右;并且采用了層銅板+層間絕緣+絕緣包覆(壓合封邊)結(jié)構(gòu)，整個(gè)母排除接頭外，其余的地方是一個(gè)密閉的結(jié)構(gòu)，正負(fù)極銅板基本上處于密閉狀態(tài)，消除了灰塵的威脅，并提高了絕緣性能，通過(guò)了濕熱循環(huán)、耐高壓、局部放電等測(cè)試。采用整改后的母排后，經(jīng)過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，變流器運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)模塊炸毀事故。

6 結(jié)束語(yǔ)

直流側(cè)母排設(shè)計(jì)是整個(gè)風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作中的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。本文根據(jù)多年風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合相關(guān)理論，從母排電感的抑制、母排應(yīng)力分析以及環(huán)境適應(yīng)性等幾個(gè)方面系統(tǒng)闡述了母排的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，最后結(jié)合實(shí)例，作進(jìn)一步分析說(shuō)明，對(duì)以后的設(shè)計(jì)工作具有重要的指導(dǎo)意義。另外，隨著風(fēng)力發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)和制造水平的不斷提高，5MW、7MW的風(fēng)電機(jī)組被陸續(xù)研制出來(lái)，并向更高功率發(fā)展。作為風(fēng)電并網(wǎng)的核心設(shè)備——風(fēng)電變流器，也相應(yīng)地在向更大的功率方向發(fā)展，將會(huì)對(duì)母排的設(shè)計(jì)提出更高的要求。

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作者簡(jiǎn)介

黃彭發(fā)(1983.5.20—)，男，工程師，主要從事大功率風(fēng)電變流器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作?！?/p>