电力电子型产品紧凑化设计方法

李海峰，王洪庆，周锋，安洋，郑江飞

（1.河北钢铁集团承德钢铁集团有限公司，河北承德 067002；2.天津电气传动设计研究所有限公司，天津 300180；3.河北天柱钢铁集团唐山市天型钢铁有限公司 河北唐山 063030）

电力电子型产品紧凑化设计方法

李海峰1，王洪庆2，周锋2，安洋2，郑江飞3

（1.河北钢铁集团承德钢铁集团有限公司，河北承德 067002；2.天津电气传动设计研究所有限公司，天津 300180；3.河北天柱钢铁集团唐山市天型钢铁有限公司 河北唐山 063030）

电力电子型产品的优化设计方法是决定产品市场竞争力的关键点，产品的性价比高、占空间小，更是厂家和用户共同追求的目标。提出电力电子型产品紧凑化设计方法并对此进行了详细论述，通过样机实验，证明了该方法的正确性。该方法的运用可使此类产品具有体积小、性能指标高、抗干扰性能高、便于维护等特点，具有广泛的市场前景。

电力电子；紧凑化；模块化；绝缘栅双极型晶体管；优化设计

二极管、晶闸管、IGBT，IGCT等电力电子功率器件目前已广泛应用于整流装置、变频产品中，随着设备应用领域要求的不断提高，及电力电子器件的集成化度越来越高，要求其单位体积输出功率大，因此要求更加紧凑的产品设计，才能使产品更具竞争力。本文分析了电力电子型产品设计的基本方法，从产品的控制器设计、产品的散热、产品的安全性、产品的电磁兼容性、产品维护等方面研究产品设计的方法及理论。

1 电力电子型产品紧凑化设计因素

首先此类产品的设计应具备优良的、完备的使用功能，同时具有可靠的质量保证，具有良好的人机对话性，有较高的技术性能和效率，具备较高的可靠性。先进的模块化设计为实现工厂生产提供高度可定制化方案。

从功能上此类产品可分为控制部分、触发驱动和功率部分、保护部分、人机对话部分，要在满足产品功能、使用性能的前提下，使产品成本最小化。因此以上各部分在产品设计时要最优化。因此产品功率器件的散热能力、抗干扰性能、安全性、可维护性等是此类产品设计的关键要素。

2 功率部分器件的散热设计

电力电子型产品基本依据其输出电压等级和输出功率的大小确定其产品规格，产品输出功率的大小依据其功率器件选择其散热设计。电力电子器件工作时，会因功率损耗引起器件发热、升温。器件温度过高将缩短寿命，甚至烧毁，这是限制电力电子器件电流、电压输出的主要原因。因此散热功率的计算、散热方式的选择与产品结构的紧凑性设计，是此类产品优化设计的关键点。

2.1 半控型器件的发热量计算方法

半控型器件主要指晶闸管器件，不可控电力电子二极管器件的发热计算与半控型器件相同。半控器件由于导通损耗所产生的热量，是通过压装在器件上的散热器，在一定散热结构下，靠风进行冷热空气对流和热传导实现功率器件的散热。

导通损耗可根据元件厂商提供的相关数据手册结合实际电路工作参数来计算。

器件总发热功率为

式中：n为风道中的总元件数；PAV为通态损耗功率，W。

通态损耗功率PAV在产品设计中需综合考虑产品工作的不同负载类型，对产品工作的不同负载类型分别进行计算。计算方法及公式较为复杂，这里推荐采用图表曲线的方法简单易行。图1所示为某半控器件厂商提供的通态功率曲线，产品设计人员可根据产品工作时不同导通角λ下的通态平均电流IAV，根据图表查出对应的通态损耗PAV。

图1 通态功率损耗（通态电流下的开通损耗）Fig.1 On-state power dissipation vs.mean on-state current，turn-on losses excluded

2.2 全控型器件的发热量计算方法

功率全控型器件主要指绝缘栅双极晶体管IGBT（器件内部由电子和空穴2种载流子参与导电称“少子器件”）、集成门换流晶闸管器件IGCT等，此类器件的功率损耗包括器件的通态损耗、开关损耗、断态电流损耗及驱动损耗等，其中通态损耗及开关损耗为其主要损耗，通态损耗为

式中：PC为功率开关器件的通态损耗，W；IDS为脉冲电流幅值，A；RDS为功率开关器件的通态电阻，Ω；δ为输出电流波形占空比。

功率器件的开关损耗包括了开通损耗和关断损耗，器件处于高频工作状态下，电压和电流发生剧烈变化，因此开关损耗占器件总损耗相当大的比重。功率器件的开关损耗与负载特性有关：

式中：US为断态电压，V；IM为通态电流，A；f为开关频率，HZ；Ton为开通时间，s；Toff为关断时间，s。

2.3 散热技术及风机选型

紧凑型电力电子产品，通常采用功率器件为电绝缘型模块、散热器为平板型散热器，散热方式为风机强迫冷却，因此在计算出功率器件的发热量基础上，高散热效率风道的设计就十分重要。

风机所需风量，应根据热平衡方程式计算即：

式中：P为风道总发热功率，W；c为空气比热，1.026×103J/kg K；γ为空气密度，1.05 kg/m3；ΔT为风道进出口温度差，一般可考虑5℃。

根据风机厂商提供的风机特性曲线如图2所示，选取相应风量Q下的风压Pa，将风机工作点匹配到曲线最佳范围内，通常选取阴影部分。

图2 风机工作曲线Fig.2 The operating curves of fans

3 产品电磁兼容性设计

运行中的电力电子设备伴随着电磁能量的转换，对周围设备产生影响，同时它也受到周围各种电磁干扰，因此在产品研发设计时必须对其EMC（electromagnetic compatibility）进行研究分析。

3.1 产品受到的噪声一般可分为3大类

1）放电噪音源：通常包括雷电、静电、大功率开关触点的动作、电动机的电刷跳动等。2）浪涌噪音源：大型旋转机械的电动机启动电流、晶闸管控制设备等。3）高频振荡噪音源：DC-DC变换器、变频器、开关电源等。因此在电力电子型产品设计中抗干扰技术是产品可靠运行的关键。

3.2 抗干扰技术在产品中的实现方法

3.2.1 全数字控制器的抗干扰设计

当前的紧凑型电力电子控制产品根据其功率器件的性质，主要分为半控型及全控型两大类，其控制回路通常为全数字控制器。因此在抗干扰设计时首先要考虑其控制回路。全数字控制电路的工作特点是回路工作能量低、翻转速度快、电平信号弱等，因此外部各种电磁变化产生的噪音容易影响其正常工作，同时其本身工作时也产生电磁噪音。

随着电子器件的集成化程度的飞速发展，全数字控制器多采用多层电路板设计，因其内层有专用电源层和地线层，供电线路的阻抗低，能减少公共阻抗干扰，同时由于信号线都有均匀接地面，信号线的特性阻抗稳定，易匹配，减少了反射所引起的波形畸变，随着加工制造工艺及材料加工工艺技术的飞速发展，多层电路板已广泛应用于电力电子产品的紧凑化设计中。

其次在板上器件的选型、妥善布置线路板上的器件位置、导线的布局及形状等多方面因素均可影响产品的抗干扰能力。

3.2.2 降低杂散电感的叠层母线设计

基于功率单元所使用的电力电子器件通常工作被用在PWM脉宽调制电路中，通常具有较高的开关频率，功率器件在关断瞬间，电感会阻止电流的变化，因此会在电路馈线的等效电感两端形成电压变化ΔU，其大小ΔU=L（di/dt），通常在大功率逆变电路中，开关器件所承受的di/dt可达2 kA/μs至3 kA/μs，由此可见由于等效电感的存在引起的高电压不容忽视，因此在设计时应通过计算及测试，使其抑制在器件允许范围之内。

两条平行导线每条导线的自感L和两导线间的互感M分别为

式中：s为导线间距，mm；b为导线宽度，mm；l为导线长度，cm。

因此从上述理论得出，分布电感的产生与导线的长度成正比，与导线间的间距、导线的宽度成反比。因此在大功率逆变电路中，采用叠层母排的设计，会降低主回路的分布电感。

3.2.3 光纤抗干扰技术

随着超导技术的日益成熟，光纤的损耗已达到0.2 dB/km，这使得光纤完全能胜任作为传输光波的传输媒介，开辟了光纤通信的新纪元。光纤具有传输频带极宽，通信容量大；衰减小、串扰小，信号传输质量高；光纤抗电磁干扰，保密性好；光纤尺寸小，重量轻，便于传输和铺设等特点，光缆用于电力电子器件的触发回路较传统的电磁式触发回路，可将产品中控制器发出的低电平控制信号，与功率器件上的高电平信号完全隔离，避免主回路高压信号对控制器的损害，具有良好的绝缘性。对于触发特性来说：具有触发前沿陡度高，各触发脉冲之间差异小的特点，提升产品性能；对于触发功率：具有传输功率小，省去体积大、损耗大的电磁隔离器件，提升产品的紧凑性；对于触发响应：具有寄生电容小、抗干扰能力强的特点，增加了产品的可靠性。

4 其他设计因素

4.1 产品安全设计

电力电子产品通常具有工作电压高、运行电流大等特点，因此其安全性是用户关心的首要问题，对于电力电子产品的安全设计主要有两个方面：一是产品本身的安全性及故障状态时安全隐患；二是对产品使用者的安全设计。因此在产品设计时通常从以下几个方面考虑：

1）产品的绝缘设计。主要包括带电器件之间、带电器件与外壳结构件之间的电气间隙及爬电距离；

2）产品的防护设计。避免操作时的直接接触及间接接触；除对暴露的导电部位进行防护设计外，产品的金属壳体与接地螺钉应具备可靠的电气连接，因此在电力电子产品设计中可使用覆铝锌板代替喷涂工艺，产品具有耐腐蚀、外观好、良好的接地性能等特点；

3）安全性的软件设计。确定产品的运行状态，将其分为准备状态、正常运行状态、故障状态、故障报警状态。目前电力电子产品基本均为全数字控制器，在软件设计时，可综合产品当前运行状态，及时提供调试人员或集中控制信息中心，处理产品故障及报警，避免故障扩大、减少损失。

4.2 产品的维护设计

在产品设计时要考虑产品的可维护性，目前模块化设计这一新的设计概念和设计方法迅速在各个领域得到广泛应用，模块化的主要方法是对产品的分解和组合，模块化产品由标准模块组成。产品分解和组合的技巧及运用水平，是模块化的核心问题。通过模块化设计的产品其优势主要体现在：一方面解决品种、规格的多样化与生产的专业化的矛盾；另一方面也为先进的制造技术、提高设备的利用率创造必要的条件；同时提升了产品维护的快速性和及时性。

5 紧凑型产品设计方法的应用

以TAC1系列132 kW通用变频器为例介绍紧凑型产品设计方法的实际应用。产品配置主要由功率组件、主控器、控制回路组成，产品组成配置框图见图3，产品功率组件配置见图4。

图3 TAC1系列132 kW变频器组成配置图Fig.3 The configuration diagram of TAC1 Series 132 kW AC driver

图4 132 kW变频器功率组件及其背视图Fig.4 The power unit and back view of 132 kW AC driver

产品主要参数为：额定功率132 kW，三相交流输出额定电压400 V，输入电流286 A，直流回路额定电流309 A，额定输出电流260 A，基准负载电流237 A，最大电流355 A，装置外型尺寸320 mm×1 320 mm×411 mm（宽×高×深）。

组件包含了散热器、IGBT功率模块、整流模块、叠层母排、进线母排，出线母排电容组等。产品特点：结构紧凑，采用模块化设计，便于维护。产品设计分别采用了功率器件的散热技术、多层线路板设计技术、叠层母排技术、产品模块化设计技术、产品紧凑型设计技术等。装置采取上述技术后在系能指标不变的情况下，较原装置体积减少近50%（原装置外型：508 mm×1 450 mm×465 mm）。

主要器件参数：晶闸管模块为510 A，1 400 V，3只；IGBT模块为450 A，1 200 V，3只；电容组为6 800 μF，400 V，6只；等效容值为10 200 μF。

5.1 产品额定负荷测试

图5为晶闸管整流模块输出额定电流至309 A时的温升曲线；图6为IGBT逆变模块额定输出额定电流至290 A时的温升曲线；产品在额定电流输出的条件下，温升均未超过55 K（环境温度20℃），满足设计要求。

图5 晶闸管模块温升曲线Fig.5 Temperature rasing curves of SCR module

图6 IGBT模块温升曲线Fig.6 Temperature rasing curves of IGBT module

5.2 产品轻载性能测试

图7为产品在额定电压下，产品启制动性能曲线，该测试满足GB/T12668.2—2002 7.3.2低压交流变频电气传动系统额定值的规定中轻载和功能试验的国家标准。

图7 产品轻载启制动波形图Fig.7 Waveforms diagram of product starting&braking at light loads

5.3 试验结果

通过样机以上型式试验，各项指标满足设计要求，产品整体系能达标，验证了此设计方法的正确性。

6 结论

本文综合产品各环节的设计方法及关键器件的选型作了详细的研究及介绍，该方法已广泛应用于交直流全数字调速产品的设计及研发中，研制的产品已在工程项目中得到广泛应用，产品具有体积小、系能指标高、抗干扰性能高、便于维护等特点，具有广泛的市场空间。

［1］ 天津电气传动研究所.电气传动自动化技术手册［M］.第2版.北京：机械工业出版社，2005.

［2］ 张松春.电子控制设备抗干扰技术及其应用［M］.北京：机械工业出版社，1989.

［3］ 黄俊，王兆安.电力电子变流技术［M］.北京：机械工业出版社，1996.

修改稿日期：2014-03-25

Method of Power Electronics Products Compact Design

LI Hai-feng1，WANG Hong-qing2，ZHOU Feng2，AN Yang2，ZHENG Jiang-fei3
（1.Chengde Iron&Steel GROUP Co.，Ltd.，Hebei Iron&Steel GROUP，Chengde067002，Hebei，China；2.Tianjin Design&Research Institute of Electric Drive Co.，Ltd.，Tianjin300180，China；3.Tangshan Tianxing Iron&Steel Co.，Ltd.，Hebei Tianzhu Iron&Steel GROUP，Tangshan063030，Hebei，China）

The key points of market competitiveness is products optimal design method of power electronics products，products have many features such as high-performance，high reliability，low cost，and low volume，is the common goals for manufactures and consumers.A basic method of power electronics products compact design is proposed and elaborated and verified with the test result of prototype.The power electronics products with this method have many features such as low volume，high-performance，high reliability，low cost，and easily to maintain，etc.and have wide application fields.

power electronics；compact；modular；insulated gate bipolar transistor（IGBT）；optimal design

TM46

A

李海峰（1969-），男，研究生，高级工程师；Email：lhfysrd@163.com

2014-01-20