大功率風電變流器中的母排設計

1 引言

與普通逆變器、變流器相比，風電變流器有以下幾個特點：①功率密度大，直流側電壓高;②使用環(huán)境惡劣，國內(nèi)風電場一般集中在東北、華北、西北和沿海地帶。東北和華北寒冷、溫差大;西北部風沙大、灰塵多;沿海地區(qū)空氣濕度大、腐蝕力強;③連續(xù)工作時間長，在風力較好的季節(jié)，變流器經(jīng)常連續(xù)幾個月處于滿負荷運行狀態(tài);④可能會出現(xiàn)陣風、臺風等惡劣天氣。這些特點對風電變流器的主電路設計，尤其是功率模塊單元的母排設計提出了更高的要求。如果母排設計不合理，沒有考慮到風電變流器的特殊要求，可能會出現(xiàn)下面幾個問題：①母排過熱，這是由于風電變流器的直流側電流大、電壓不穩(wěn)定，再加上風季時長時間處于滿功率運行狀態(tài)，容易導致母排過熱;②母排電感過大，產(chǎn)生過高的尖峰電壓，導致安全裕量變小，當遇到陣風、臺風等惡劣天氣時，變流器直流側電壓會短時急劇升高，功率器件很可能出現(xiàn)過壓，嚴重時可能會導致功率器件炸毀，造成重大損失;③因制造和裝配誤差、母排本身和電容等重力作用，導致功率器件受力是不可避免的，如果不在母排設計階段將這些因素考慮進去，很可能導致功率器件承受過大的應力，風電變流器的功率比較大，母排一般都比較大，電容數(shù)量多，更增加了這種風險;④母排防護不夠，隨著灰塵、潮氣的侵入，導致絕緣失效。

因此，針對上述問題，本文提出了風電變流器直流側母排設計原則及要點。實踐證明，根據(jù)這些原則及要點設計的母排具有很高的可靠性。

2 大功率直流側母排設計原則

(1)雜散電感小，具有一定的電磁兼容能力。

(2)結構簡潔緊湊，安裝方便，具有良好的維護性。

(3)母排支撐可靠，受力情況考慮周全，功率器件受力小。

(4)可靠性強，能保證在特定的環(huán)境中長時間運行。

(5)經(jīng)濟適用，節(jié)省材料。

3 設計準備

在進行直流側母排結構設計之前，要首先明確以下幾方面的問題。

⑴ 確定風電變流器的工作環(huán)境。要確定變流器是室外型還是室內(nèi)型，高原型還是地面型，嚴寒地區(qū)還是潮濕地區(qū)。并根據(jù)這些環(huán)境條件來確定環(huán)境的污染等級、極限溫升和最小爬電距離與電氣間隙。

⑵ 了解電路拓撲結構，收集相關元器件規(guī)格書。

⑶ 確定額定工作電壓和電流。目前，風電變流器主流機型的直流側母線電壓均在1100V左右，電流從幾百A到幾千A不等，這取決于風電機組的功率大小。額定工作電壓和電流作為計算母排尺寸的一個重要依據(jù)。

⑷ 使用壽命。使用壽命的選取會影響到直流母排的結構工藝及其絕緣材料的選擇。風電變流器的壽命一般要求20年，故對直流母線的壽命也一般要求不低于20年。這樣，在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，母排就可以免于維護。

4 母排結構設計

在確定了母排工作環(huán)境、電路拓撲、電氣參數(shù)等一些具體要求以后，就可以開始母排的設計。首先，依據(jù)電流大小計算銅板的截面積。需要注意的是不要選擇過厚的銅排，因為電流流過導體存在集膚效應[1]，集膚深度計算公式為

(1)

式中：δ為集膚深度;μ為磁導率;σ為電導率。

風電變流器的功率密度大，母排導體一般選擇紫銅材料，紫銅的磁導率為4 X10-7H/m，電導率為5.8X107S/m。風電變流器的功率器件開關頻率一般為2kHz -3kHz，就以3kHz為例，根據(jù)式(1)可以計算出集膚深度為：

所以，銅板厚度一般采用1.5mm—2.5mm為宜。如果沒有注意到這一點，不但浪費材料，還往往伴隨出現(xiàn)母線過熱的現(xiàn)象。

此外，直流側母排設計應重點考慮以下幾個要點。

3.1 盡量減少電感

由于雜散電感的作用，在IGBT關斷時會出現(xiàn)尖峰電壓，此電壓與直流回路電壓疊加，對功率器件和母排絕緣構成很大威脅。變流器功率越大，功率器件di/dt越大，這種危害就越嚴重。由雜散電感引起的尖峰電壓UL為：以下腳注改為正體，i與t改為斜體

UL=(LB+LM)di/dt (2)

式中：LB為母排寄生電感，LM為功率模塊寄生電感。

由(2)式可知，降低電壓尖峰有兩個途徑：① 通過改變門極驅動電阻的值來減小di/dt，將導致開通和關斷的時間延長，功率器件的損耗增加，這會使變流器的效率降低，而且給功率器件的散熱也將帶來挑戰(zhàn)。所以靠減小di/dt來減小雜散電感是有限的;② 減小雜散電感(LB+LM)，(LB+LM)當功率器件選定以后，其自身寄生電感就基本固定，能夠減小的就只有母排寄生電感了，所以，母排設計是獲得低電壓尖峰的關鍵。為獲得低電感的母排，在母排設計時可以從以下幾個方面考慮。

3.1.1采用疊層結構

由鄰近效應可知，某一導體的高頻電流在鄰近的導體層會形成鏡像電流。對于雙層銅排，當信號路徑與地平面互相疊層，并使?jié)M足絕緣層厚度的間距遠小于導體寬度時，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個內(nèi)部平面上，部分高頻磁場能夠相互抵消[2]，從而減小回路中的電感。

3.1.2 取合適長寬比

疊層母排的總等效雜散電感為

LB=LI+LC (3)

式中：LI為母排內(nèi)部等效電感，與頻率有關，頻率越高，內(nèi)電感越小[3]，此處可以忽略不計;LC為母排外部等效電感

根據(jù)文獻[3]可知，

當t<

(4)

式中：t為單層銅板厚度;d為絕緣層厚度;l為疊層母排長度;w為疊層母排寬度。從式(3)可看出，母排長度越短，寬度越大，電感越小。

3.1.3 支撐電容布局設計合理

盡管采用了疊層母排，可以有效減小雜散電感，但是電感還是存在的，而且功率器件本身的寄生電感也是無法消除的。因此，直流側應設置一定數(shù)量的支撐電容，以便有效抑制雜散電感。目前，風電變流器上常用的支撐電容主要有兩種：鋁電解電容和膜電容。由于鋁電解電容的耐壓等級較低，一般需要大量的并串聯(lián)，所以其母線設計比較復雜，而且鋁電解電容發(fā)熱嚴重，壽命短，逐漸被膜電容取代。膜電容擁有耐壓高、壽命長、發(fā)熱少等諸多優(yōu)點，正獲得越來越廣泛的應用。由于膜電容耐壓高，額定工作電壓可達1100V，在低壓風電變流器中一般就不需要串聯(lián)，簡化了母排設計，也減小母排寄生電感，建議優(yōu)先選擇膜電容作為直流側支撐電容。在電容布局設計時，要注意以下兩個問題：

⑴ 電容的擺放很重要，如圖1所示，圖1(a)與圖1(b)的區(qū)別僅在于電容端子方向正好相差90°，電流路徑構成的環(huán)路面積就大不相同。環(huán)路面積越小，電感越小。因此，圖1(b)布局優(yōu)于圖1(a)布局。

圖1 電容兩種不同的擺放方式構成的環(huán)路面積：(a)回路面積大，不合理;

(b)合理，應采用此種擺放方式

⑵ 盡量避免使用大容量的超級電容，如圖2(a)所示，電流路徑有交叉，電感大;多電容并聯(lián)可以改善電流流向，如圖2(b)所示，正負極電流路徑盡可能重疊，能抵消更多的高頻磁場，從而減低回路中的電感。

(a) (b)

圖2 多電容并聯(lián)設計與單電容設計電流路徑示意圖

3.2 避免功率器件受到過大的外力

功率器件都比較“嬌氣”，不能承受較大的外力，作為直接和功率器件連接的母排設計就必須注意這一點，盡可能減小功率器件受力狀況。通常采用的措施有以下幾點。

⑴ 在空間大小允許的情況下，應在母排靠近功率器件的地方設置支撐，將一部分外力轉移到支撐零件上，以改善功率器件受力情況，如圖3所示。

支撐件

圖3 帶支撐的母排安裝示意圖

⑵ 母排引腳退火處理，增加引腳的塑性變形能力。退火后硬度極大降低，而對導電率幾乎無影響，如表1所示。

表1 退火前后的硬度和導電率比較

硬度導電率

局部退火前89HV30101%IACS

局部退火后46HV3099～102%IACS

⑶ 母排引腳安裝孔設計成長圓孔，以彌補制造和安裝誤差，從而改善功率器件受力。

⑷ 在引腳上增加細長缺口，增加引腳的彈性和塑性變形能力，如圖4所示。

圖4 母排引腳上開細長缺口

3.3 多功率器件并聯(lián)時的母排設計。

目前，MW級風機已經(jīng)占據(jù)了主流市場，并且向更高功率等級發(fā)展，單個功率器件已不能滿足要求，多個功率器件并聯(lián)是必然的選擇。兩個或兩個以上的功率器件并聯(lián)，母排上的電容分布應盡量考慮相對于功率器件對稱，有利于各功率器件的均流，同時也避免個別的電容因承受較大的電流而發(fā)熱嚴重。如圖5所示，為某大功率變流器的網(wǎng)側變流器一項模組，由兩個FF1400R17IP4英飛凌IGBT并聯(lián)。母排設計成關于兩個IGBT中心完全對稱，從實際測試結果看，各項參數(shù)良好，獲得了比較理想的波形，并在長時間帶載測試過程中運行穩(wěn)定。

圖5 典型的并聯(lián)IGBT直流側母排設計

3.4 避免設計尺寸過大的母排

母排尺寸越大越容易變形，加大了母排加工制造和安裝的難度，并且還會導致支撐電容發(fā)熱不均衡性增大，距離功率器件近的電容會急劇發(fā)熱，嚴重影響電容壽命，嚴重時可能會導致電容失效。另外，過大的母排帶來維修不便且增加維修成本，如果母排局部有一點損壞，就必須將整個母排更換掉，維護成本大大增加。因此，在條件允許的條件下，可以將大尺寸母排拆分成幾個小母排，以避免上述缺點，并增加相關部件結構設計的靈活性。

3.5 母排的環(huán)境適應性設計

目前，常用的疊層母排結構有下面4種形式。

(1)多層銅板+層間絕緣

圖6 銅板裸露

這種結構疊層母排，主要特點就是結構簡單、成本低，但是防護性差，主要應用于承載電流電壓均較小且處在內(nèi)陸干燥地區(qū)的變流器上，MW級的變流器的主功率回路中基本上不采用此種結構。

(2)多層銅板+層間絕緣+樹脂噴涂

圖7 樹脂噴涂

此種母排采用耐老化、耐腐蝕的高性能絕緣粉末，通過壓合和噴涂技術制作而成。噴涂層厚度可以調(diào)節(jié)，一般可以做到0.2mm-1mm之間，主要看具體應用環(huán)境和電性能要求。當母排結構比較復雜時，采用樹脂噴涂有一定的優(yōu)勢。

(3)多層銅板+層間絕緣+絕緣包覆+樹脂灌膠/環(huán)氧封邊

圖8 樹脂灌膠

(4)多層銅板+層間絕緣+絕緣包覆(壓合封邊)

圖9 壓合封邊

此種母排結構應用最為廣泛，全密封結構有效防止了因灰塵、潮氣而導致的絕緣性能下降，可在最大相對濕度95%的環(huán)境中長期工作。當變流器應用在近?；蛏衬拳h(huán)境較惡劣的地區(qū)，母排設計除了適當加大爬電距離和電氣間隙外，還應加大對載流銅板的防護，采用壓合封邊這種結構是比較理想的選擇。

5 設計實例

圖10為某型號風電變流器功率模組的初始結構三維圖，該模組的直流側母排由前模塊母排、后模塊母排和連接母排構成，此3個母排均為開放式的疊層母排。然而，在風場運行過程中，頻頻出現(xiàn)IPM(智能功率模塊)炸毀現(xiàn)象。經(jīng)分析，引起IPM炸毀可能有以下3個原因：①母排設計不合理，電感大，模塊在關斷過程中出現(xiàn)比較高的電壓尖峰，當電壓尖峰超過IPM承受的極限時，模塊炸毀;②由于風場沙漠化比較嚴重，灰塵比較大，母排上積聚了大量灰塵，導致母排正負極出現(xiàn)打火放電，模塊過流炸毀;③疊層母排的層間絕緣采用的是0.7mm厚的環(huán)氧樹脂板，如果環(huán)氧樹脂板本身有劃傷，在變流器運行時，該疊層母排可能會出現(xiàn)局部放電，日積月累，導致層間絕緣被擊穿。所有的問題都指向母排。

 圖11優(yōu)化后的母排設計

所以，我們對母排進行了優(yōu)化，如圖11所示，將原來的3個母排合成一個母排，極大降低了回路中的雜散電感，經(jīng)測算，直流側母排電感由原來的89nH左右下降至43nH左右;并且采用了層銅板+層間絕緣+絕緣包覆(壓合封邊)結構，整個母排除接頭外，其余的地方是一個密閉的結構，正負極銅板基本上處于密閉狀態(tài)，消除了灰塵的威脅，并提高了絕緣性能，通過了濕熱循環(huán)、耐高壓、局部放電等測試。采用整改后的母排后，經(jīng)過了較長時間的運行，變流器運行穩(wěn)定，無模塊炸毀事故。

6 結束語

直流側母排設計是整個風電變流器結構設計工作中的一個關鍵點。本文根據(jù)多年風電變流器結構設計經(jīng)驗并結合相關理論，從母排電感的抑制、母排應力分析以及環(huán)境適應性等幾個方面系統(tǒng)闡述了母排的設計要點，最后結合實例，作進一步分析說明，對以后的設計工作具有重要的指導意義。另外，隨著風力發(fā)電機組設計和制造水平的不斷提高，5MW、7MW的風電機組被陸續(xù)研制出來，并向更高功率發(fā)展。作為風電并網(wǎng)的核心設備——風電變流器，也相應地在向更大的功率方向發(fā)展，將會對母排的設計提出更高的要求。

參考文獻

[1] Beukes H J，Enslin J H R，Spee R

Bus bar design consideration for high power IGBT converters[C]

IEEE Power Electronics Specialists Conference，St. Louis，Missouri，USA，1997.

[2] Moongilan D.Skin

effect modeling of image plane techniques for radiated emissions from PCB traces[C]

IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility，Austin，TX，USA，1997.

[3] Caponet M C，Profumo F，De Doncker R W，Tenconi A

Low stray inductance bus bar design and construction for good EMC performance in power

electronic circuit[J].IEEE Trans. on Power Electronics，2002，17(2)：225-231.

作者簡介

黃彭發(fā)(1983.5.20—)，男，工程師，主要從事大功率風電變流器結構設計工作?！?/p>