阮進(jìn)+吳浩偉

艦船綜合電力系統(tǒng)是一種新型動(dòng)力系統(tǒng)，而逆變電源是未來艦船綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)裝備。本文闡述了影響逆變電源效率的主要因素和提升方式，研究了逆變電源設(shè)計(jì)中開關(guān)器件和逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的技術(shù)方案，探討了復(fù)合母排和低損耗磁芯材料的運(yùn)用，最后對(duì)低損耗艦船逆變電源研制實(shí)現(xiàn)提出了工程設(shè)計(jì)建議。

【關(guān)鍵詞】逆變電源 高效率 三電平

隨著英國(guó)45型戰(zhàn)艦和美國(guó)海軍DDG1000戰(zhàn)艦相繼下水、服役，標(biāo)志著世界軍用艦船動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)入綜合電力系統(tǒng)的全新時(shí)代。逆變電源作為主要的電能變換設(shè)備，是未來艦船綜合電力系統(tǒng)里的關(guān)鍵技術(shù)裝備。

逆變電源效率的提升意味著設(shè)備的體積可以更小、重量更輕、功率密度更高。更為重要的是，對(duì)于作為艦船電力系統(tǒng)中主供電電源的逆變電源設(shè)備而言，逆變電源效率的提高不僅減小了自身的熱負(fù)荷，并且也大大減輕了全船空調(diào)及其他輔助系統(tǒng)的負(fù)荷，使得全船能量利用效率進(jìn)一步提高?，F(xiàn)代艦船綜合電力系統(tǒng)中逆變電源容量往往高達(dá)MW級(jí)，逆變電源效率每提升一個(gè)點(diǎn)，相當(dāng)于一方面減少了10kW以上的功率損耗，一方面減少10kW以上的空調(diào)熱負(fù)荷，能有效的提升船舶的燃油經(jīng)濟(jì)性。

目前艦船逆變電源的變換效率已達(dá)到90%以上的高水平，要想進(jìn)一步提高變換效率，需要在開關(guān)器件選型、逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、功率母線、濾波電抗器和變壓器磁性材料選擇等各個(gè)環(huán)節(jié)全面設(shè)計(jì)優(yōu)化，以進(jìn)一步降低設(shè)備損耗，提高整機(jī)效率。

1 逆變拓?fù)湓O(shè)計(jì)優(yōu)化

上世紀(jì)八十年代由日本學(xué)者提出了一種新穎的三電平逆變電路拓?fù)洌ㄟ^集成更多的開關(guān)器件，產(chǎn)生更多的電平狀態(tài)，從而達(dá)到更高的等效開關(guān)速度。

相對(duì)于傳統(tǒng)兩電平三相橋式逆變電源，三電平逆變電源具有一系列優(yōu)點(diǎn)：

（1）單管只需承受一半的直流電壓，可以采用低耐壓等級(jí)、低損耗的IGBT運(yùn)用在高壓場(chǎng)合；

（2）單管只需要開通或者關(guān)斷一半的直流電壓，開關(guān)損耗更?。?/p>

（3）輸出電壓波形更接近于正弦，諧波含量小，所需濾波電感量小，有利于降低系統(tǒng)成本和功率損耗。三電平逆變電源非常適用于高直流電壓、大功率的艦船電力系統(tǒng)。

為進(jìn)一步提升三電平變換電路工作效率，可以讓每個(gè)橋臂中間兩個(gè)IGBT工作在電網(wǎng)周期頻率，最上方和最下方的兩個(gè)IGBT工作在高開關(guān)頻率。另外，三電平逆變電路還可以采用多種不同特性IGBT組成混合器件結(jié)構(gòu)。根據(jù)開關(guān)特點(diǎn)不同，每個(gè)橋臂上方和下方的兩個(gè)開關(guān)器件選擇低開關(guān)損耗的高速NPT型IGBT，每個(gè)橋臂中間的兩個(gè)開關(guān)器件選擇低通態(tài)損耗的Trench型IGBT，利用不同類型IGBT器件的開關(guān)特點(diǎn)，充分發(fā)揮器件優(yōu)勢(shì)，提升變換效率。

三電平電路雖然具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但也存在著通態(tài)損耗兩倍于傳統(tǒng)兩電平三相橋的缺點(diǎn)。為了解決這一問題文獻(xiàn)[3，4]提出了改進(jìn)型NPC三電平逆變電路的解決方案，通過集成具有反向阻止能力的特殊規(guī)格IGBT，推出了實(shí)用化的改進(jìn)型三電平IGBT模塊。其主要改進(jìn)在于將NPC型三電平電路中間的開關(guān)管和箝位二極管用兩個(gè)具有反向阻止能力的特殊IGBT并聯(lián)代替，通過控制此類反向阻止IGBT的導(dǎo)通以保證電流續(xù)流。

通過這樣的改進(jìn)后，每個(gè)開關(guān)管在開關(guān)過程中只有1/2直流電壓的電壓變換，因此其開關(guān)損耗大約只有兩電平的一半；此外，任何時(shí)候電流僅流經(jīng)一個(gè)半導(dǎo)體器件，其通態(tài)損耗相對(duì)于二極管箝位型三電平逆變電源而言進(jìn)一步降低。

2 半導(dǎo)體開關(guān)器件擇優(yōu)

在逆變電源的設(shè)計(jì)中，IGBT是最常見的開關(guān)器件。因?yàn)镮GBT導(dǎo)通壓降的非線性特性使得其導(dǎo)通壓降并不會(huì)隨著電流的增加而顯著增加，從而保證了逆變電源在大負(fù)載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。除IGB外，另一類電力電子開關(guān)器件是具有線性導(dǎo)通壓降特性的MOSFET。MOSFET器件在小負(fù)載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，并且可以通過多個(gè)并聯(lián)以進(jìn)一步降低。此外，考慮到MOSFET自身較低開關(guān)損耗和優(yōu)秀高頻工作能力，在小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中，利用MOSFET多管并聯(lián)代替IGBT以降低導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，是提高效率的有效途徑。

近年來隨著寬禁帶SiC、GaN器件的不斷發(fā)展，基于SiC基底的MOSFET器件導(dǎo)通損耗大幅低于現(xiàn)有器件。此外，SiC器件還具有高開關(guān)速度、低開關(guān)損耗、高阻斷電壓等一系列優(yōu)點(diǎn)，除價(jià)格暫且價(jià)高、電流較小的限制外，幾乎可以成為常規(guī)開關(guān)器件的最佳選擇。由圖1的對(duì)比可以看到，SiC器件的導(dǎo)通損耗要明顯優(yōu)于當(dāng)前的常規(guī)MOSFET產(chǎn)品?？梢灶A(yù)見，隨著SiC開關(guān)器件的不斷成熟和容量的不斷擴(kuò)大，將有力的推動(dòng)逆變電源向著更高的效率發(fā)展。

開關(guān)器件是逆變電源中功率損耗的主要器件，因此逆變電源的設(shè)計(jì)之初就是覺得開關(guān)器件的選型。在SiC器件尚未大規(guī)模進(jìn)入規(guī)?；瘧?yīng)用的當(dāng)前，對(duì)于大功率逆變電源場(chǎng)合首先是IGBT，而小功率器件一般則選用MOSFET更為理想。

3 功率電路連接優(yōu)化

元器件之間的連接銅排雖然不是設(shè)備內(nèi)主要的發(fā)熱器件，但先進(jìn)的電路連接方式對(duì)于設(shè)備整體的效率也有較大的影響。

對(duì)于大型電力電子設(shè)備而言，直流儲(chǔ)能電容器和IGBT器件之間的母線上總會(huì)存在雜散的分布電感參數(shù)。在IGBT關(guān)斷的瞬間，分布電感電感的兩端會(huì)感應(yīng)出很大的瞬態(tài)尖峰電壓，電壓的大小與分布電感呈正比。

雜散分布電感數(shù)量雖然較小，但由于現(xiàn)代IGBT器件的開關(guān)速度很快，開關(guān)過程的電流變化率較大，也會(huì)造成很大關(guān)斷尖峰電壓。因此，功率器件連接環(huán)節(jié)存在的分布電感，不僅會(huì)增大開關(guān)器件的動(dòng)態(tài)損耗，還會(huì)造成極高的關(guān)斷電壓尖峰，增大了開關(guān)器件過壓擊穿的風(fēng)險(xiǎn)。

電力電子設(shè)備的功率單元設(shè)計(jì)上必須盡量減小連接銅排的長(zhǎng)度和環(huán)路面積，以減小等效形成的分布電感參數(shù)。針對(duì)這一設(shè)計(jì)要求，最有效的解決措施就是采用疊層式復(fù)合母線，即復(fù)合母排技術(shù)。

采用復(fù)合母排連接方式后，從直流電容到開關(guān)器件總的分布電感量也可以控制在100nH以內(nèi)。假設(shè)IGBT關(guān)斷速度為250ns，關(guān)斷電流為200A，100nH雜散電感引起關(guān)斷電壓尖峰僅為80V，完全可以在DC450V直流母線下采用600V的IGBT，相對(duì)于采用1200V器件，其整機(jī)的變換損耗可明顯減少。

4 鐵磁材料的設(shè)計(jì)優(yōu)化

逆變電源濾波內(nèi)最主要電磁元器件是電抗器和變壓器，這也是逆變電源中除開關(guān)器件之外產(chǎn)生熱損耗最大的部件。

電磁元器件的損耗分為銅耗和鐵耗。銅耗可以通過在設(shè)計(jì)上加大線徑等方法加以降低，而鐵耗則與選擇的磁芯材料緊密相關(guān)。目前電氣工程領(lǐng)域常用的磁性材料主要有硅鋼片、微晶合金、非晶合金、鐵氧體磁材等，這些材料的性能參數(shù)見表1。

由于磁性材料的特性差異顯著，不同場(chǎng)合有不同的應(yīng)用特點(diǎn)，因而在濾波電感和變壓器的設(shè)計(jì)上需要著重考慮。硅鋼具有很高的居里溫度和飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，是最常見的變壓器磁芯材料，但主要缺點(diǎn)是高頻渦流損耗大、鐵耗高，因而常運(yùn)用于低頻、大功率的場(chǎng)合。

由金屬離子氧化物組成的鐵氧體材料，具有相當(dāng)高的電阻率，可有效抑制內(nèi)部渦流，高頻損耗很小，是高頻變換領(lǐng)域的優(yōu)良材料。鐵氧體的缺點(diǎn)在于熱穩(wěn)定差，機(jī)械強(qiáng)度低，易于破碎，并且飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度小，一般用在小功率電源設(shè)備。

非晶合金材料是利用急冷技術(shù)將液態(tài)金屬直接冷卻形成的固體薄帶。這種合金具有高硬度、高電阻率、耐蝕性等眾多優(yōu)異的特性，具有較高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度，是一種可替代硅鋼的優(yōu)良磁性材料。非晶合金材料主要不足在于，磁致伸縮系數(shù)較大，用其制造變壓器、電抗器等器件的噪聲大約為硅鋼材料的120%。因此對(duì)于艙內(nèi)布置的艦船逆變電源而言，其工作噪聲較大，影響艙室的居住性。

微晶合金，也叫納米晶合金，是含有銅和鈮元素的鐵基非晶合金通過退火處理而形成，晶粒尺寸通常在10nm左右。微晶合金具有初始磁導(dǎo)率高、飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度高、高頻損耗低、矯頑力低的優(yōu)異特點(diǎn)。用微晶合金作為鐵芯的變壓器，其效率能夠達(dá)到99%以上。

從以上對(duì)比可見，微晶合金磁性材料集鐵氧體、硅鋼等材料的眾多優(yōu)點(diǎn)于一體，具備良好的綜合磁性能，是艦船逆變電源中電磁部件的優(yōu)選材料。只是由于當(dāng)前鐵基微晶合金的成本較貴，因此在對(duì)成本較為敏感的應(yīng)用場(chǎng)合受到一定限制，但總體而言，是一種極具應(yīng)用發(fā)展前景的磁性材料。

5 結(jié)論

逆變電源作為艦船綜合電力系統(tǒng)中最重要的部件之一，電能變換效率不僅是評(píng)價(jià)逆變電源的關(guān)鍵性指標(biāo)，也涉及到艦船綜合電力系統(tǒng)的整體能效重要技術(shù)指標(biāo)。針對(duì)艦船逆變電源對(duì)變換效率要求的持續(xù)提高，本文從半導(dǎo)體開關(guān)器件選型、電力變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功率部件連接方式和磁性材料優(yōu)化四個(gè)方面，提出了面向工程實(shí)用的設(shè)計(jì)方法和相關(guān)建議，對(duì)艦船逆變電源和大功率電力電子裝置的合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]馬偉明.艦船動(dòng)力發(fā)展的方向——綜合電力系統(tǒng)[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，14（06）：1-6

[2]Nabae A，Takahashi I，Akagi H.A new neutral-point-clamped PWM inverter[J].IEEE Transactions on IndustryApplication，1981（17）：518-523.

[3]馬琳，孫凱等.高效率中點(diǎn)鉗位型光伏逆變電源拓?fù)浔容^[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，26（02）：109-114.

[4]Br lckner T，Bernet S，Steimer P K.The active NPC converter for medium-voltage applications[C].Proceedings of IEEE IAS，2005（01）：84-91.

[5]Fuji-Electric.2Mbi450U4E-060 Data sheet[EB/OL].http：//www.fujielectric.com/device.

[6]錢金川，于建兵，朱守敏.微晶合金磁芯材料在逆變電源中的應(yīng)用[J].電工電氣，2009（07）：59-62.

作者單位

1.海裝裝備采購中心 北京市 100190

2.中船重工第七一九研究所 湖北省武漢市 430064