高压链式SVG功率单元中电源模块的优化设计

［摘 要］文章对SVG 功率单元及电源模块进行了概述，分析了电源模块的元件选型与优化，探讨了电磁干扰的抑制与屏蔽优化，旨在提高SVG 功率单元的性能和稳定性。

［关键词］SVG 功率单元；电源模块；电磁干扰抑制；优化设计

［中图分类号］TP273 ［文献标志码］A ［文章编号］2095–6487（2024）09–0106–03

1 SVG功率单元及电源模块概述

1.1 SVG功率单元的基本结构和功能

SVG 功率单元是静止无功发生器（Static VarGenerator，以下简称“SVG”）的核心组成部分，其基本结构包括功率变换电路、控制电路、保护电路及冷却系统等关键部分。SVG 功率单元的主要功能是通过调节输出电流的幅值和相位，实现对电网中的无功功率进行动态补偿，从而提高电力系统的稳定性和电能质量。SVG 功率单元通常采用多电平拓扑结构，如二极管中点钳位型（NPC）或级联H 桥型（CHB），以实现更高的电压等级和更灵活的功率控制。

功率变换电路是SVG 功率单元的核心，其由多个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate BipolarTransistor，以下简称“IGBT”）开关管组成，通过脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， 以下简称“PWM”）控制技术，可以精确地调节SVG 输出的无功电流。控制电路是SVG 功率单元的“大脑”，负责接收来自上位机的指令，根据电网的实时状态计算出SVG 应输出的无功电流，并生成相应的PWM 控制信号，以驱动功率变换电路中的IGBT 开关管。同时，控制电路还具备完善的保护功能，如过流保护、过热保护等，以确保SVG 功率单元在异常情况下能够安全停机。保护电路是SVG 功率单元的安全保障，能够在电网出现故障或SVG 功率单元内部出现异常时，迅速切断电源，防止故障扩大。保护电路通常包括过压保护、欠压保护、过流保护等多种保护功能，确保SVG 功率单元在恶劣的电网环境下也能安全的运行。冷却系统对于SVG 功率单元的稳定运行也至关重要。由于SVG 功率单元在工作过程中会产生大量的热量，若不及时进行散热，可能会导致IGBT 等元器件过热损坏。因此，冷却系统通常采用强制风冷或水冷等方式，确保SVG 功率单元的温度始终保持在安全范围内。

1.2 电源模块在SVG功率单元中的作用

SVG 功率单元要实现对电网中的无功功率进行动态补偿，离不开电源模块提供稳定、可靠的直流电源。电源模块为SVG 功率单元中的功率变换电路提供所需的直流电源。功率变换电路中的IGBT 开关管在进行高速的开关动作时，需要稳定的电源供应以确保其正常工作。电源模块通过整流、滤波等环节，将交流电源转换为稳定的直流电源，供给功率变换电路，从而保证SVG 能够精确地调节输出电流的幅值和相位。电源模块还承担着保护电路供电的重要任务。电源模块为保护电路提供不间断的电源，确保其能够实时监控电网状态和SVG 功率单元的工作情况，一旦检测到异常情况，能够立即切断电源，防止故障扩大。电源模块的稳定性和可靠性直接影响到SVG 功率单元的整体性能。若电源模块出现故障或输出电压不稳定，会导致SVG 功率单元无法正常工作，甚至可能引发更严重的电网问题。因此，电源模块的设计和质量把控至关重要，必须确保其在各种恶劣环境下都能稳定运行。

2 电源模块的元件选型与优化

2.1 IGBT模块、整流二极管、直流侧电容等元件的选型

在电源模块的设计过程中，元件选型直接影响到电源模块的性能、稳定性和效率。以下核心元件的选型尤为关键。

（1）IGBT 模块的选型首要考虑其电压和电流容量，以确保其能够承受SVG 功率单元在工作过程中可能产生的最大电压和电流。同时，IGBT 的开关速度和损耗也十分重要。快速的开关速度可以减少开关损耗，提高效率，而低损耗则有助于减少发热，提升系统的可靠性。

（2）整流二极管的选型需要关注其正向导通压降、反向恢复时间和反向耐压等指标。低的正向导通压降可以减少功率损耗，快速的反向恢复时间有助于减少开关过程中的电压尖峰和振荡，从而提高电源模块的效率和稳定性。反向耐压能力则是确保整流二极管在电网电压波动或异常情况下能够安全工作的关键。

（3）直流侧电容的选型主要考虑其容量、耐压和等效串联电阻（ESR）等参数。足够的容量可以平滑直流电压，减少电压纹波，从而提高SVG 输出电能的质量。耐压能力则必须高于SVG 工作过程中的最大直流电压，以确保电容不会被击穿。而低的ESR则有助于减少电容在充放电过程中的发热，提高电容的使用寿命。

在元件选型的基础上，需要进行电路的优化设计，以充分发挥这些元件的性能。例如，通过合理的布局和走线，可以减少寄生电感和电容的影响，提高电路的效率和稳定性。同时，还需要考虑元件之间的热耦合和电磁干扰等问题，以确保电源模块能够在各种环境下稳定可靠的工作。

2.2 元件性能参数的分析与比较

元件性能参数的分析与比较涉及对IGBT 模块、整流二极管、直流侧电容等核心元件的详细评估，以确保所选元件能够满足电源模块的设计要求，并在各种工作条件下保持高效稳定的性能。对于IGBT 模块，主要关注其导通电阻、开关速度、耐压能力及热稳定性等性能参数。整流二极管的选择同样重要，其正向导通压降、反向恢复时间、反向耐压及反向漏电流等参数都需要仔细考量。直流侧电容的性能对电源模块的稳定性和输出电能质量也有重要影响，需要关注其容量、耐压能力、ESR 及使用寿命等参数。

在分析与比较这些元件性能参数时，不仅要考虑单个元件的性能，还要综合考虑它们之间的匹配性和协同效应。此外，还需要根据实际应用场景和具体需求，权衡各项性能参数，以选择最适合的元件组合。对元件性能参数进行深入的分析与比较，是确保电源模块性能优化的重要环节。通过这一过程，可以选择出性能卓越、稳定可靠的元件，从而构建出高效稳定的电源模块，为SVG 功率单元的稳定运行提供坚实基础。

3 电磁干扰的抑制与屏蔽优化

3.1 IGBT通断时产生的电磁干扰分析

在SVG 功率单元中，IGBT 作为核心开关器件，在高速通断过程中会产生显著的电磁干扰（EMI）。这种干扰不仅影响SVG 自身的稳定运行，还可能对周围电子设备造成不良影响。因此，对IGBT 通断时产生的电磁干扰进行深入分析至关重要。

IGBT 在通断过程中，由于其快速的电压和电流变化，会产生高频的电磁辐射。这种辐射以电磁波的形式在空间传播，可能耦合到附近的电路或设备中，导致性能下降或误动作。特别是当IGBT 工作在高频、大功率状态下时，这种电磁干扰尤为严重。当IGBT导通或关断时，其集电极和发射极之间的电压会发生突变，同时伴随着大电流的快速切换。这些快速变化的电压和电流会在空间中激发出强烈的电磁场，从而产生电磁干扰。IGBT 的开关速度越快，产生的电磁干扰通常越强烈。因为快速的电压和电流变化意味着更高的频率成分，这些高频成分更容易以电磁波的形式辐射出去。同时，IGBT 的封装结构、驱动电路的设计及PCB 布局（PCB 布局是指在印制电路板（PCB）上规划并放置电子元器件的过程，以确保电路功能正常并优化性能。这个过程涉及对电子元器件的位置、方向和连接方式等进行细致的安排）等因素也会影响电磁干扰的强度和传播方式。

3.2 抑制和减少电磁干扰的方法

抑制和减少电磁干扰是确保SVG 功率单元稳定运行的关键。在应对IGBT 通断时产生的电磁干扰时，需要采取以下方法来降低其影响。

（1）优化PCB 布局。合理的PCB 布局能够显著减少电磁干扰的产生和传播。通过将高频电路和低频电路分开布局，减少它们之间的电磁耦合；同时，尽量缩短高频信号的走线长度并增加地线，以提供良好的回流路径，从而有效降低电磁辐射。

（2）采用屏蔽技术。屏蔽体能够有效地阻挡电磁波的传播，减少对周围电子设备的干扰。在SVG 功率单元中，可以对关键电路或组件进行局部屏蔽，如使用金属罩或金属板将IGBT 等开关器件包围起来，以减少其产生的电磁辐射对外部设备的影响。

（3）应用滤波技术。通过在电源线和信号线上安装合适的滤波器，可以有效滤除高频噪声和干扰信号，保证信号的纯净性和稳定性。例如，在电源输入端加入电源滤波器，能够滤除来自电网的噪声和干扰；在信号线上使用低通滤波器，则可消除高频信号的干扰。

（4）从源头上减少电磁干扰的产生。如选择低电磁辐射的IGBT 器件、优化驱动电路的设计及降低开关速度等，都是有效的措施。这些改进能够减少IGBT 通断时的电压和电流变化率，从而降低电磁辐射的强度。

3.3 屏蔽优化的具体措施

在SVG 功率单元中，屏蔽优化是减少电磁干扰、提高设备稳定性的关键措施。为了实现有效的屏蔽，需要采取以下优化措施。

（1）关注屏蔽体的设计。屏蔽体的形状、材料和厚度都会直接影响到屏蔽效果。在选择屏蔽材料时，应优先考虑具有高导电性能的材料，如铜箔、铝箔或金属网等，这些材料能有效地阻挡电磁波的传播。同时，屏蔽体的厚度也需适中，既要保证良好的屏蔽效果，又要避免过重影响设备的整体结构和散热性能。

（2）重视屏蔽体的接地方式。良好的接地可以确保屏蔽体与大地之间形成低阻抗的电气连接，从而将电磁波引入大地，减少对外界的干扰。为了实现有效接地，需确保屏蔽体与接地线之间的连接紧密、可靠，避免接触不良或松动导致的接地失效。

（3）精心设计屏蔽体的安装方式。在安装过程中，应尽量减少屏蔽体与其他金属部件之间的缝隙，以防止电磁波通过这些缝隙泄漏出去。同时，还需考虑设备的通风和散热需求，确保屏蔽体在有效阻挡电磁波的同时，不会影响到设备的正常散热。

（4）增加屏蔽体的数量或采用多层屏蔽结构。多层屏蔽可以在不同层面上对电磁波进行多次衰减，从而降低干扰的强度。但需注意，多层屏蔽可能会增加设备的复杂性和成本，因此在实际应用中需权衡利弊。

4 结束语

文章所提的电源模块优化措施，不仅为SVG 功率单元的稳定运行提供了坚实的基础，还减少了对外界环境的电磁干扰，确保了电力系统的安全经济运行。未来，随着技术的进步，可进一步对电源模块进行优化，为电力系统的安全稳定运行作出更大贡献。

参考文献

[1] 殷卫超.SVG 功率单元的电磁干扰分析及结构优化设计[D]. 济南：山东大学，2014.

[2] 阎宏. 功率单元级联型SVG 控制策略的研究[D]. 兰州：兰州交通大学，2014.

[3] 苏健. 级联H桥型SVG功率单元设计及控制策略研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2012.