高变换效率的舰船逆变器设计

吴浩伟，周 樑，李 鹏，徐正喜

(武汉第二船舶设计研究所，湖北 武汉 430064)

0 引言

随着舰船电力推进技术和舰船综合电力系统的不断发展，逆变器作为主要的电能变换设备，已成为舰船综合电力系统里的关键技术装备［1］。逆变器效率的提升意味着设备对散热要求的降低，设备组成和结构可以得到简化，设备的体积可以更小、重量更轻、功率密度更高，可以说变换效率是衡量逆变器设计水平的一个重要技术指标。更为重要的是，对于作为舰船电力系统中主供电电源的逆变器设备而言，逆变器效率的提高不仅减小了自身的热负荷，也大大减轻了全船空调及其他辅助系统的负荷，使得全船能量利用效率进一步提高。逆变器 (包括变频器)效率每提升1个点都能有效地提升船舶的燃油经济性，增加续航里程。

提高逆变器的效率带来的益处是显而易见的。但目前常规通用逆变器的变换效率已达到90%的高水平，舰船逆变器要想进一步提高变换效率，需要在开关器件选型、逆变拓扑结构、功率母线、滤波电抗器和变压器电磁材料选择等各个环节全面设计优化，以进一步降低设备损耗，提高整机效率。

1 开关器件的选择

开关器件是逆变器中功率损耗的主要器件，开关器件的精心选择和最优运用对逆变器效率水平的提升起到重要的影响。在通用逆变器的设计中，IGBT是最常见的开关器件。因为IGBT导通压降的非线性特性使得IGBT的导通压降并不会随着电流的增加而显著增加，从而保证了逆变器在大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。但是在轻载或输出功率较小时，IGBT的导通压降并不会显著下降，这反而降低了逆变器的效率。相反，MOSFET的导通压降是线性的，在小负载情况下具有更低的导通压降，且其导通阻抗可以通过多个MOSFET并联以进一步降低。此外，考虑到MOSFET自身较低开关损耗和优秀高频工作能力，在小功率的应用场合中，利用MOSFET多管并联代替IGBT以降低导通损耗和开关损耗，是提高效率的有效途径。

随着近年来SiC器件的不断发展，基于SiC基底的MOSFET器件导通损耗更是大幅低于现有器件，并且SiC器件还具有高阻断电压、高开关速度、低开关损耗等一系列优点，除价格因素和耐压等级的限制外，几乎可以成为常规开关器件的最佳选择。图1为当前MOSFET的导通阻抗对比，其中，CoolMOS是Infineon公司推出的低阻抗MOSFET产品。由图中的对比可以看到，SiC器件的导通损耗要明显优于当前的常规MOSFET产品。可以预见，随着SiC开关器件的不断成熟和容量的不断扩大，将有力地推动逆变器向着更高的效率发展。

图1 主要MOSFET器件的导通阻抗对比Fig.1 Conduction resistance comparison of MOSFETs

2 高效率的逆变电路拓扑

对于单相逆变器而言，其功率通常较小，常见的电路拓扑结构有单相全桥和半桥。为了提高此类逆变器的变换效率可以采用图2所示单相全桥结构，在开关器件上混合使用IGBT和MOSFET［2］。上桥臂开关器件采用IGBT，开关频率设定为电网频率，而下桥臂则采用MOSFET，工作频率则设置较高的开关频率，如20 kHz。通过混合应用2种器件的方式，以发挥IGBT导通损耗小和MOSFET开关损耗低的特点，这样的电路结构既保证了较高的开关频率，又能达到很高的变换效率。

图2 采用混合器件的单相全桥逆变拓扑Fig.2 Single-phase full bridge topology with combination devices

对于三相逆变器而言，其变换功率通常较大，一般采用如图3所示二极管箝位型三电平逆变电路代替常规的三相桥式电路以提高变换效率。这种三电平逆变电路最早是由日本学者A.Nabae等人提出的［3］，在电力传动领域已得到了广泛的应用。相对于传统二电平三相桥式逆变器，三电平逆变器具有一系列优点:①单管只需要开通或者关断一半的直流电压，开关损耗更小;②单管只需承受一半的直流电压，可以采用低耐压等级、低损耗的IGBT运用在高压场合;③输出电压波形更接近于正弦，谐波含量小，所需滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。因此，三电平逆变拓扑非常适用于高直流电压、大功率的舰船电力系统，是提高三相逆变器效率的一个有效途径。

在三电平电路中，每个桥臂中间2个开关管可以工作在电网周期频率，最上方和最下方的2个开关管则工作在20 kHz左右高开关频率。为了进一步提高变换效率，三电平逆变电路同样可以采用不同类型IGBT组成混合器件结构。根据开关频率的不同，在每一相桥臂上将中间2个开关管选择低导通压降的Trench型IGBT，最上方和最下方的2个开关则选择低开关损耗的高速NPT型IGBT，以充分发挥不同类型IGBT器件的特点，提升变换效率。

图3 二极管箝位型三电平逆变拓扑Fig.3 NPC 3-level inverter topology

三电平电路虽然具有一系列优点，但毕竟采用的器件较多，并且电流总需要流经2个半导体器件，其通态损耗相对于传统二电平三相桥而言较大。为了解决这一问题，文献 ［4－5］提出了改进型三电平逆变电路的解决方案，富士电机公司针对这种改进的逆变拓扑，通过集成具有反向阻止能力的RBIGBT，推出了实用化的A-NPC IGBT模块［6］。该模块的电路结构如图4所示，其主要改进在于将NPC型三电平电路中间的开关管和箝位二极管用2个具有反向阻止能力的RB-IGBT并联代替，通过控制RB-IGBT的导通以保证电流续流。

通过这样的改进后，虽然主开关桥臂上的IGBT与传统二电平一样，需要承受全部的直流电压，但每个开关管在开关过程中只有1/2直流电压的电压变换，因此其开关损耗大约只有二电平的一半;此外，任何时候电流仅流经一个半导体器件，其通态损耗相对于二极管箝位型三电平逆变器而言进一步降低。

图4 A-NPC三电平模块Fig.4 A-NPC 3-level inverter module

3 复合母排的运用

功率母线虽然不是设备内主要的发热器件，但功率母线设计的好坏对于设备整体的效率也有较大的影响。

在电力变换设备中，连接直流侧支撑电容器和开关器件之间的母线上总会存在一定的分布电感Ls。在开关管关断的瞬间，电感Ls会阻止电流的迅速减小，并在Ls两端感应出瞬态尖峰电压ΔU，其大小由下式决定:

现代IGBT器件的开关速度很快，开关过程中di/dt可达1 kA/μs甚至2 kA/μs，即使较小的分布电感也能引起很大关断尖峰电压。因此，功率母线上的分布电感，不仅会增大开关损耗，更为重要的是，关断电压尖峰会造成器件过压，提高了开关器件所需要的安全耐压等级。

IGBT的耐压等级每提高一档，其通态损耗、开关速度、开关损耗都会有明显的增加。以同为Infineon公司第三代 IGBT的 FS75R06KE3和FS75R12KE3 IGBT模块为例，其基本性能对比如表1所示。

表1 600 V与1200 V等级下IGBT性能对比Tab.1 600 V and 1200 V IGBT comparison

由于采用的IGBT内核不同，从参数对比中可以明显看到，600 V电压等级的IGBT其通态压降更低、开关速度更快、开关损耗更小，各项性能指标明显优于1200 V等级IGBT。

为了尽量减小分布电感上的能量损耗以及减小电压尖峰、选择低耐压等级IGBT器件，就必须尽量减小功率母线上的分布电感，其主要应对措施是采用叠层式直流母线，即复合母排技术。

采用叠层式复合母排后，即使考虑直流电容和IGBT内部的引线电感，从直流电容到开关器件总的分布电感量也可以控制在150 nH、甚至100 nH以内 (根据功率大小和结构布置等因素有所不同)。以50 kW三相逆变器为例，假设功率母线上的分布电感为100 nH，IGBT关断速度为250 ns，关断电流为100 A，其关断电压尖峰仅为40 V，完全可以在800 V的直流母线上采用600 V的IGBT构建三电平逆变电路，相对于采用1200 V器件，其整机的变换损耗可明显减少。

4 低损耗的电磁材料选择

滤波电抗器和变压器作为逆变器内的主要电磁元器件，是逆变器中除开关器件之外产生热损耗最大的部件。因此，逆变器中电磁器件的低损耗设计是提升整机效率的重要一环。滤波电抗器和变压器的损耗分为铜耗和铁耗。对于铜耗而言，主要通过加大线径、减小趋肤效应等手段加以解决，而铁耗则与磁芯材料的选择有很大关系。目前，在逆变器上应用的磁性材料主要有硅钢片、铁氧体、非晶态合金、微晶合金、坡莫合金等多种材料，各种磁性材料的特性参数见表2。由于各个电磁材料的特性差异较大，因此选择不同材料设计出的滤波电感和变压器在体积、重量、发热等方面也有明显的差别。

表2 磁性材料的特性参数表Tab.2 Magnetic materials characteristic parameters

硅钢，是含硅元素 (一般在0.5% ～4.8%以内)的一种钢材，是最常见的变压器磁芯材料。它具有很高的饱和磁感应强度和很高的居里温度。但缺点在于电阻率低，高频时硅钢片的涡流损耗比较大，因此硅钢片通常运用于低频、大功率场合。

铁氧体是金属离子组成的尖晶石结构的氧化物，具有很高的电阻率，远远高于金属材料，能够有效抑制涡流产生，高频损耗极小，特别适合在高频领域中应用。但是铁氧体饱和磁感应强度却比较小，通常只有0.2～0.5 T左右，并且热稳定差，机械强度低，易于破碎，不适合于大功率下使用，多用于小功率逆变电源。

非晶合金材料是利用超急冷技术将液态金属直接冷却形成厚度在0.02～0.04 mm的固体薄带，得到的非晶合金组织。这种合金具有许多独特的特点，如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性、高硬度、高电阻率等，具有较高的饱和磁感应强度，价格低廉，是制造低损耗变压器的优良磁性材料。但是，非晶合金材料的磁致伸缩系数较大，是硅钢的3～5倍，非晶合金工频变压器的噪声大约为硅钢工频变压器噪声的120%。因此对于放置在舱内的舰船逆变器而言，为了保证船员适宜的工作和起居环境，往往对工作噪声有限制性要求，因此非晶合金材料在舰船逆变器中的运用需要慎重考虑。

微晶合金是含有铜和铌的铁基非晶合金在晶化温度以上退火时形成非常细小的晶粒组织，晶粒尺寸在10～20 nm，因此其又叫纳米晶合金。微晶合金具有高饱和磁感应强度、高初始磁导率、低矫顽力、高频损耗低的特点，利用其制成的变压器效率可达99%以上［7］。从表2的对比可以看到，铁基微晶合金几乎集硅钢、坡莫合金、铁氧体的优点于一身，具有优异的综合磁性能，只是机械加工性能较差以及成本问题，因此目前应用还不广泛。

总体而言，从高效率、低损耗的角度考虑，微晶合金材料是舰船逆变器中电磁部件的优选磁芯材料。

5 结语

变换效率是逆变器一项关键的性能指标，逆变器效率的高低对未来舰船综合电力系统的整体效能有着重要影响。为了设计高效率的舰船逆变器，本文在开关器件和逆变拓扑结构选择、功率母线设计、电磁材料选型等各个环节进行了论述和探讨，提出设计建议和注意事项，对舰船逆变器的工程设计具有积极的指导意义。

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［6］Fuji electric releases IGBT module for advanced neutral point clamping cuicirts［EB/OL］.http://www.fujielectric.com/，2011.

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