高压大功率串级调速系统中升压斩波电路的模块化设计

毕天昊

【摘 要】针对高压大功率串级调速系统中升压斩波电路的实现问题，提出了一种机械结构模块化设计。该模块化设计主要由IGBT、续流二极管、电容组成，还包括连接铜排、连接铜柱、螺栓、绝缘板、绝缘薄膜、IGBT水冷板、IGBT光纤驱动板，并融入了接线方式、电气绝缘、电气间隙与爬电距离、水电隔离、光纤高低压隔离等设计思想，采用叠层母排设计及IGBT水冷散热方式，解决了升压斩波电路杂散电感过大、IGBT冷却效率低、并联回路结构设计困难、系统拓展与维护不易进行等问题，该模块化设计减小了斩波回路的体积，便于系统拓展与维护。

【关键词】杂散电感；叠层母排；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

相比于變频调速，斩波串级调速系统[1-4]具有变流功率小、运行条件宽松、成本低等优点，非常适用于在高压大功率风机、水泵等设备的节能降耗应用上。目前国内大部分工业现场采用的是几百瓦至一两千瓦的小功率电机，转子电压仅在几百伏至一千伏左右，其系统采用直流斩波回路PWM数字控制技术，将最小逆变角固定，有效降低了逆变颠覆故障，使得系统更加安全可靠，而且在功率因数提升、谐波抑制等方面有所提高。而对于大功率的斩波串级调速系统，大都采用多路升压斩波电路并联的方式[5-6]来解决大功率电机转子电压高且电流过大的问题。通常整个系统由整流柜、电抗柜、斩波柜、水冷柜和逆变柜组成，其中主要控制作用由斩波柜来完成，所以斩波柜的内部设计十分重要。

1 结构设计说明

1.1 总体设计

多路并联升压斩波电路模块整体设计框图如图1所示。其中，黑色框部分为升压斩波主电路模块，主要由IGBT、续流二极管、电容组成，还包括了连接铜排、连接铜柱、螺栓、绝缘板、绝缘薄膜、IGBT水冷板、IGBT光纤驱动板。

整流模块正极端与电抗相连，斩波模块间各电容的正极端相连，出线点与逆变侧正极母线相连；斩波模块间各电容的负极端相连，出线点与负极母线相连，每个模块的电容都是并联连接。

单元升压斩波电路模块结构设计如图2所示。

1.2 连接铜排与铜柱的设计

在大功率IGBT升压斩波电路中，由于母线铜排杂散电感的存在，IGBT在开关过程中往往会产生很高的电压瞬态尖峰值，一旦此尖峰值超出了允许范围，便会导致IGBT的失效和损坏[7-11]。因此电容正极铜排与负极铜排之间采用叠层铜排设计，降低回路中的杂散电感同时增加了回路当中的分布电容，来抑制IGBT开关过程中产生的瞬态电压尖峰值。铜排出线端均设计成竖直出线，方便模块间的连接，易于实现拓展。铜排采用了折弯的设计，使得IGBT与电容的距离达到最小，最大程度上的减小了模块的体积。元件与铜排采用铜柱进行连接，使元件表面不直接与铜排接触。

此模块化设计采用绝缘板来实现正极铜排和负极铜排的隔离，并在相应位置流出供铜柱与螺栓的穿透孔。由于正极铜排与负极铜排采用了折弯设计，而绝缘板无法折弯，故采用两块绝缘板用绝缘胶垂直粘合的方式。为防止粘合过程中残留的缝隙使正极铜排与负极铜排击穿，在绝缘板的连接处与正极铜排间加入一块绝缘薄膜来避免这一问题。绝缘板在铜排边缘处进行延长设计，避免因爬电距离不足引起的短路问题。

1.3 功率元件的散热设计

此模块化设计中采用水冷散热方式，水冷散热具有功率器件温升小、工作噪声小、结构轻便等优点[12-14]。之所以没有采用风冷散热的原因有两点：一方面，风冷散热器的换热系数低，很难解决大功率设备中功率器件的散热问题，同时风冷散热设备体积大，工作时风扇噪音大；另一方面，模块化设计为封装设计，难以实现风冷散热。

水冷板的水路设计如图3所示。采用并行结构设计，该种设计方法的优点是：一、改善流场，使流体在流道内有足够长的回路，流道内的液体吸热均匀；二、增加吸热面积，热量在固体中的传递速度要大于在液体中的传递速度，通过增加突起使冷却液与冷板的接触面积增大，将一部分热量通过突起传递至冷却液中，使冷板的吸热效果更好。

水冷板与外部冷却系统采用软管进行连接，方便系统的拓展及模块的更换。水冷板的入水口和出水口放置于与电缆接线铜排、正极铜排及负极铜排出线口相反的一侧，在外部实现水电隔离。若水冷板的入水口、出水口与铜排出线口置于同一侧，一旦发生软管损坏或接头密封性不达标的情况，渗漏出的冷却液就可能会导致元件损毁甚至可能是高电压短路的重大事故。水冷板下方用一托板将其垫高，尽量使IGBT及续流二极管与铜排的连接距离缩短到最小。在电路元器件与水冷板之间进行水电隔离设计，增加系统的安全性。若无水电隔离措施，一旦水冷板发生渗漏，冷却液流到升压斩波电路一侧，极易发生电路短路，导致元器件烧毁和系统崩溃等。同时在电容下端加入一块托板，使电路整体与模块底部留有一定距离，避免因水电隔离失效，冷却液流入电路一侧，引发问题。

传统大功率转子变频调速系统的斩波柜内最多只可允许8路升压斩波电路并联，如图4所示。经测量，所设计的模块在同样大小的柜中可竖直排列放置10个，即可实现10路升压斩波IGBT回路并联，如图5所示。

2 水冷散热的仿真分析

利用Icepak热分析软件对水冷板的散热效果进行验证。

2.1 建立模型

冷板的外形尺寸为320mm×15mm×40mm，将模型从SolidWorks软件中导入到Ansys workbench中，再导入到Icepak中，利用模型库中的cabinet命令建立求解域，再根据模型库中的source/opening等命令建立IGBT模塊的热源、水流的进出口的定位尺寸及特性等参数，如图6、图7所示。

2.2 初始条件及边界条件设置

建立模型的同时，在相应的参数面板中加载初始条件和边界条件，首先修改Problem setup/Basic parameters中的参数，主要设置如下：

2.3 生成网格

因模型中无特殊形状（如曲面等），直接建立网格即可，点击Model/Generate Mesh。一般情况下，软件会根据模型尺寸给出最大网格尺寸，在此基础上，对模型做细化网格（Normal命令）处理，以提高求解精度。设置完成后，执行“generate mesh”（生成网络）命令，网格示意如图8所示。

2.4 求解计算

Icepak软件采用迭代算法进行计算，将模型求解的基本参数设置好，执行“Solve/Run solution”命令，Icepak开始求解，当迭代次数达到200次时，残差收敛曲线已完全收敛，计算完成，如图9所示。

Icepak软件的后期处理功能强大，计算的结果可以通过视图来显示，图10和图11分别是水冷板表面温度云图及剖面温度云图。由图10可以看出，蛇形水路带走的热量要多于直线水路带走的热量，致使冷板靠左部分温度偏高。由图11可看出，水温从入水口到出水口的温度逐渐升高，温差在5℃左右。从仿真结果来看，水冷板的设计满足IGBT器件所能承受的最高温度的要求。

3 总结

针对高压大功率串级调速系统中升压斩波电路的多路并联问题，对升压斩波电路进行了模块化设计。通过融入接线方式、电气绝缘、电气间隙与爬电距离、水电隔离、光纤高低压隔离等设计思想，以实现电路功能和电路安全稳定工作为前提，将模块中所需的电路元器件、连接铜排、散热水冷板等进行紧凑合理的连接，组成了一个易于拓展、更换和维护的升压斩波电路模块，并利用Icepak热分析软件对水冷板的散热效果进行仿真，验证了水冷板设计的合理性。

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[责任编辑：朱丽娜]