大功率变频电源的优化设计
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作者: 蔡斯千
【摘要】针对大功率变频电源出现的实际工程问题。本文提出了优化设计方案，主要是可以采用叠层母线，增加抗偏磁电路，改进了集中过流保护电路和吸收电路。实践验证证明，采用以上改进方案，提高了大功率变频电源的可靠性，使整机性能大大提高，促进我国仪器仪表事业的发展。
【关键词】大功率；变频电源；优化；设计
1引言
随着我国经济的不断发展，进口的大功率用电设备越来越多，工厂生产线所用供电电源功率越来越大，对大功率变频电源需求也越来越大，市场前景十分看好。
目前，市场上的大功率变频电源在使用中不同程度地暴露出一些问题，例如，对电网的污染和整机可靠性问题等，给用户造成很大不便。为满足市场需求，迫切需要研制可靠性高且环保的大功率变频电源。为此我公司集中力量，按照国家军标要求，针对大功率变频电源主电路功率器件电流大和电路的耗散功率大、散热问题严重以及对电网污染大等特点，进行优化设计，研制出了高可靠性的700kVA的"三进三出"大功率变频电源。
2 优化方案
2.1 整流电路的改进
对三相输入的变频电源，一般采用三相桥式不可控整流，直流侧采用电容滤波。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。谐波使公用电网中的元器件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。谐波电流还会对邻近的系统产生干扰，重者会使系统无法正常工作。
2.2 直流母线的设计
随着功率的加大，功率母线就不适合了，会带来一些问题，大功率变频电源的功率器件在开关过程中，由于从直流储能电容至IGBT器件之间的直流母线上的寄生电感和IGBT模块自身电感的影响，会产生很高的尖峰电压，这种尖峰电压会使器件过热，有时甚至使IGBT失控并超过器件的额定安全工作区而损坏。因而，必须将开关过程中产生的尖峰电压限制在允许范围内，降低尖峰电压一般有两种方法：一是通过增加栅极驱动电阻来减小di/dt，但选择合适的栅极驱动电阻很困难，若驱动电阻太大，导致dv/dt减小，开通时间和关断时间延长，增加了开关损耗；二是减小直流回路功率母线的分布电感。
叠层功率母线基于电磁场理论，把连线做成扁平截面，在同样截面下做得越薄越宽，它的寄生电感越小，相邻导线内流过相反的电流，其磁场互相抵消，也可使寄生电感减小。所谓叠层功率母线是以又薄又宽的铜排形式将母线叠放在一起，各层之间用高绝缘强度的材料隔离，整个母线极之间的距离比较一致，可减少互感，各层铜排都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘地引出，使所具有不同电位的端子表露在同一平面上，以便于把主电路中的所有器件与之相连。使用叠层功率母线将IGBT和整流管等模块、散热器、电容器组合在一起，叠层功率母线与器件之间的连接是用不同的端子和插接件等来完成的，以便相连接时的接触表面与母线之间的接触电阻非常小，也使得寄生电感成数量级地减小，从而使过电压应力降至最低，保证了装置工作在最佳状态。
叠层功率母线共采用四层板，从下到上依次为绝缘板1，铜板负极，绝缘板2，铜板正极。图1是四层板的外形尺寸图，（a）为铜板负极，（b）为铜板正极，（c）为绝缘板1和2。
图1 四层板的外形图
2.3 增加直流偏磁电路
随着变频电源功率的加大，不得不考虑主变压器的偏磁题，偏磁的后果是十分严重的，轻则会使变压器和功率半导体模块的功耗增加，温升加剧，变压器的机械噪声增大，严重时还损坏功率器件，使变频电源不能正常工作。因此，为了提高大率变频电源的可靠性，必须增加抗偏磁电路。
为解决SPWM全桥逆变器中存在的直流偏磁问题，首先选择饱和压降和存储时间特性一致的功率开关管用于SPWM桥逆变器，减小控制电路的脉宽失真和驱动延时，其次，变压铁心加气隙，以增加铁心的磁阻，提高变压器抗直流偏磁的力，最后是采用抗偏磁电路。
由于在输出变压器中，励磁电流一般仅占原边电流的2%。因此原边电流直流分量的检测必须首先滤除励磁电流中的基波及高频成分，然后再将剩下的直流分量放大后用于控制。励磁电流中直流分量的提取可先由霍尔电流传感器检测变压器的原边电流，再经有源滤波，最后送到PID调节器中。
实际上是通过对逆变器的输出电流引人负反馈，限制主电路中的直流分量，以防止变压器产生偏磁。这种抗偏磁电路的调节方法实现了直流偏磁的自动调节，在各个工作点均能很好地防止直流偏磁的产生。
此方案的优点在于与过流保护共用一个检测器件，节省费用。当发生直流偏磁时，变压器励磁电流以指数规律迅速增大，比检测电压纠偏的方法灵敏。
2.4 过流保护的改进
图2为新的IGBT过流保护方法示意图，新方案和以前的IGBT的过流方法相同之处是仍然采用分散过流保护与集中过流保护相结合的方法，不同之处在于：一是新方案采用霍尔传感器，而不是用磁电流互感器；二是用霍尔传感器检测变压器原边电流，而不是输出电流；三是在分散过流检测通道串入快速光电耦合器，利用分散过流保护通道，响应集中过流信号的要求，利用驱动模块内部的过流保护电路对IGBT，实施软关断，而不是硬关断。
图2 新的IGBT过流保护方案
比较器A的第二脚接变压器原边电流转换的电压值，O1为快速光电耦合器HCPL4504，其输出三极管与快恢复二极管相串联，当变压器原边电流没有超过设定的阂值时，无集中过流信号，此时光耦的输人侧二极管处于导通状态，在分散过流检测通道中串人的光耦不会影响分散过流保护功能，当变压器原边电流超过设定的阂值时，产生集中过流信号，此时光耦的输入侧二极管迅速关断，快速光祸的输出侧三极管迅速关断，M57962的1脚将悬空，此时IGBT如果仍处于导通状态，则驱动模块内部的过流保护电路就会动作，对IGBT实施软关断保护。这样，不论分散过流保护，还是集中过流保护，都能对IGBT实施软关断保护，防止过大的关断电压对IGBT造成损坏。
3结语
利用以上改进措施，基本就可以使得大功率变频电源安全稳定运行，使得仪表正常工作，同时也促进了我国变频电源的发展。
参考文献：
[1]黄大华，别利生.12脉波整流变压器结构型式的选择.全国电子元器件应用研讨会论文集，2001，1.
[2]张云舟，徐国卿，沈祥林.新型叠层功率母线在EV电机驱动器中的应用，电力电子技术.2005，29（1）：53.
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