高壓大功率串級調速系統中升壓斬波電路的模塊化設計

畢天昊

【摘 要】針對高壓大功率串級調速系統中升壓斬波電路的實現問題，提出了一種機械結構模塊化設計。該模塊化設計主要由IGBT、續流二極管、電容組成，還包括連接銅排、連接銅柱、螺栓、絕緣板、絕緣薄膜、IGBT水冷板、IGBT光纖驅動板，并融入了接線方式、電氣絕緣、電氣間隙與爬電距離、水電隔離、光纖高低壓隔離等設計思想，采用疊層母排設計及IGBT水冷散熱方式，解決了升壓斬波電路雜散電感過大、IGBT冷卻效率低、并聯回路結構設計困難、系統拓展與維護不易進行等問題，該模塊化設計減小了斬波回路的體積，便于系統拓展與維護。

【關鍵詞】雜散電感；疊層母排；水冷

【Abstract】This paper aimed at the realization of boost chopping circuit in high pressure high-power cascade speed control system， proposed the mechanical structure modular design. This modular design was mainly composed of IGBT， freewheeling diode and capacitor， also included copper bars for connection， copper columns for connection， bolts， insulating boards， insulating film， water-cooling plate of IGBT， fiber driving plate of IGBT， and was merged into the design ideas just like connection mode， electrical insulation， electrical clearance and creepage distance， isolation of water and electricity， isolation of high and low voltage by fiber and so on， and solved the problems just like stray inductance is too large， parallel loop structure is difficult to design， development and maintenance of the system is difficult to implement and so on. This modular design reduced the volume of chopping circuit and was convenient for development and maintenance of the system.

【Key words】Stray inductance； Laminated busbar； Water cooling

0 前言

相比于變頻調速，斬波串級調速系統[1-4]具有變流功率小、運行條件寬松、成本低等優點，非常適用于在高壓大功率風機、水泵等設備的節能降耗應用上。目前國內大部分工業現場采用的是幾百瓦至一兩千瓦的小功率電機，轉子電壓僅在幾百伏至一千伏左右，其系統采用直流斬波回路PWM數字控制技術，將最小逆變角固定，有效降低了逆變顛覆故障，使得系統更加安全可靠，而且在功率因數提升、諧波抑制等方面有所提高。而對于大功率的斬波串級調速系統，大都采用多路升壓斬波電路并聯的方式[5-6]來解決大功率電機轉子電壓高且電流過大的問題。通常整個系統由整流柜、電抗柜、斬波柜、水冷柜和逆變柜組成，其中主要控制作用由斬波柜來完成，所以斬波柜的內部設計十分重要。

1 結構設計說明

1.1 總體設計

多路并聯升壓斬波電路模塊整體設計框圖如圖1所示。其中，黑色框部分為升壓斬波主電路模塊，主要由IGBT、續流二極管、電容組成，還包括了連接銅排、連接銅柱、螺栓、絕緣板、絕緣薄膜、IGBT水冷板、IGBT光纖驅動板。

整流模塊正極端與電抗相連，斬波模塊間各電容的正極端相連，出線點與逆變側正極母線相連；斬波模塊間各電容的負極端相連，出線點與負極母線相連，每個模塊的電容都是并聯連接。

單元升壓斬波電路模塊結構設計如圖2所示。

1.2 連接銅排與銅柱的設計

在大功率IGBT升壓斬波電路中，由于母線銅排雜散電感的存在，IGBT在開關過程中往往會產生很高的電壓瞬態尖峰值，一旦此尖峰值超出了允許范圍，便會導致IGBT的失效和損壞[7-11]。因此電容正極銅排與負極銅排之間采用疊層銅排設計，降低回路中的雜散電感同時增加了回路當中的分布電容，來抑制IGBT開關過程中產生的瞬態電壓尖峰值。銅排出線端均設計成豎直出線，方便模塊間的連接，易于實現拓展。銅排采用了折彎的設計，使得IGBT與電容的距離達到最小，最大程度上的減小了模塊的體積。元件與銅排采用銅柱進行連接，使元件表面不直接與銅排接觸。

此模塊化設計采用絕緣板來實現正極銅排和負極銅排的隔離，并在相應位置流出供銅柱與螺栓的穿透孔。由于正極銅排與負極銅排采用了折彎設計，而絕緣板無法折彎，故采用兩塊絕緣板用絕緣膠垂直粘合的方式。為防止粘合過程中殘留的縫隙使正極銅排與負極銅排擊穿，在絕緣板的連接處與正極銅排間加入一塊絕緣薄膜來避免這一問題。絕緣板在銅排邊緣處進行延長設計，避免因爬電距離不足引起的短路問題。

1.3 功率元件的散熱設計

此模塊化設計中采用水冷散熱方式，水冷散熱具有功率器件溫升小、工作噪聲小、結構輕便等優點[12-14]。之所以沒有采用風冷散熱的原因有兩點：一方面，風冷散熱器的換熱系數低，很難解決大功率設備中功率器件的散熱問題，同時風冷散熱設備體積大，工作時風扇噪音大；另一方面，模塊化設計為封裝設計，難以實現風冷散熱。

水冷板的水路設計如圖3所示。采用并行結構設計，該種設計方法的優點是：一、改善流場，使流體在流道內有足夠長的回路，流道內的液體吸熱均勻；二、增加吸熱面積，熱量在固體中的傳遞速度要大于在液體中的傳遞速度，通過增加突起使冷卻液與冷板的接觸面積增大，將一部分熱量通過突起傳遞至冷卻液中，使冷板的吸熱效果更好。

水冷板與外部冷卻系統采用軟管進行連接，方便系統的拓展及模塊的更換。水冷板的入水口和出水口放置于與電纜接線銅排、正極銅排及負極銅排出線口相反的一側，在外部實現水電隔離。若水冷板的入水口、出水口與銅排出線口置于同一側，一旦發生軟管損壞或接頭密封性不達標的情況，滲漏出的冷卻液就可能會導致元件損毀甚至可能是高電壓短路的重大事故。水冷板下方用一托板將其墊高，盡量使IGBT及續流二極管與銅排的連接距離縮短到最小。在電路元器件與水冷板之間進行水電隔離設計，增加系統的安全性。若無水電隔離措施，一旦水冷板發生滲漏，冷卻液流到升壓斬波電路一側，極易發生電路短路，導致元器件燒毀和系統崩潰等。同時在電容下端加入一塊托板，使電路整體與模塊底部留有一定距離，避免因水電隔離失效，冷卻液流入電路一側，引發問題。

傳統大功率轉子變頻調速系統的斬波柜內最多只可允許8路升壓斬波電路并聯，如圖4所示。經測量，所設計的模塊在同樣大小的柜中可豎直排列放置10個，即可實現10路升壓斬波IGBT回路并聯，如圖5所示。

2 水冷散熱的仿真分析

利用Icepak熱分析軟件對水冷板的散熱效果進行驗證。

2.1 建立模型

冷板的外形尺寸為320mm×15mm×40mm，將模型從SolidWorks軟件中導入到Ansys workbench中，再導入到Icepak中，利用模型庫中的cabinet命令建立求解域，再根據模型庫中的source/opening等命令建立IGBT模塊的熱源、水流的進出口的定位尺寸及特性等參數，如圖6、圖7所示。

2.2 初始條件及邊界條件設置

建立模型的同時，在相應的參數面板中加載初始條件和邊界條件，首先修改Problem setup/Basic parameters中的參數，主要設置如下：

2.3 生成網格

因模型中無特殊形狀（如曲面等），直接建立網格即可，點擊Model/Generate Mesh。一般情況下，軟件會根據模型尺寸給出最大網格尺寸，在此基礎上，對模型做細化網格（Normal命令）處理，以提高求解精度。設置完成后，執行“generate mesh”（生成網絡）命令，網格示意如圖8所示。

2.4 求解計算

Icepak軟件采用迭代算法進行計算，將模型求解的基本參數設置好，執行“Solve/Run solution”命令，Icepak開始求解，當迭代次數達到200次時，殘差收斂曲線已完全收斂，計算完成，如圖9所示。

Icepak軟件的后期處理功能強大，計算的結果可以通過視圖來顯示，圖10和圖11分別是水冷板表面溫度云圖及剖面溫度云圖。由圖10可以看出，蛇形水路帶走的熱量要多于直線水路帶走的熱量，致使冷板靠左部分溫度偏高。由圖11可看出，水溫從入水口到出水口的溫度逐漸升高，溫差在5℃左右。從仿真結果來看，水冷板的設計滿足IGBT器件所能承受的最高溫度的要求。

3 總結

針對高壓大功率串級調速系統中升壓斬波電路的多路并聯問題，對升壓斬波電路進行了模塊化設計。通過融入接線方式、電氣絕緣、電氣間隙與爬電距離、水電隔離、光纖高低壓隔離等設計思想，以實現電路功能和電路安全穩定工作為前提，將模塊中所需的電路元器件、連接銅排、散熱水冷板等進行緊湊合理的連接，組成了一個易于拓展、更換和維護的升壓斬波電路模塊，并利用Icepak熱分析軟件對水冷板的散熱效果進行仿真，驗證了水冷板設計的合理性。

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