吳浩偉，周 樑，李 鵬，徐正喜

(武漢第二船舶設(shè)計研究所，湖北 武漢 430064)

0 引言

隨著艦船電力推進技術(shù)和艦船綜合電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，逆變器作為主要的電能變換設(shè)備，已成為艦船綜合電力系統(tǒng)里的關(guān)鍵技術(shù)裝備［1］。逆變器效率的提升意味著設(shè)備對散熱要求的降低，設(shè)備組成和結(jié)構(gòu)可以得到簡化，設(shè)備的體積可以更小、重量更輕、功率密度更高，可以說變換效率是衡量逆變器設(shè)計水平的一個重要技術(shù)指標(biāo)。更為重要的是，對于作為艦船電力系統(tǒng)中主供電電源的逆變器設(shè)備而言，逆變器效率的提高不僅減小了自身的熱負荷，也大大減輕了全船空調(diào)及其他輔助系統(tǒng)的負荷，使得全船能量利用效率進一步提高。逆變器 (包括變頻器)效率每提升1個點都能有效地提升船舶的燃油經(jīng)濟性，增加續(xù)航里程。

提高逆變器的效率帶來的益處是顯而易見的。但目前常規(guī)通用逆變器的變換效率已達到90%的高水平，艦船逆變器要想進一步提高變換效率，需要在開關(guān)器件選型、逆變拓撲結(jié)構(gòu)、功率母線、濾波電抗器和變壓器電磁材料選擇等各個環(huán)節(jié)全面設(shè)計優(yōu)化，以進一步降低設(shè)備損耗，提高整機效率。

1 開關(guān)器件的選擇

開關(guān)器件是逆變器中功率損耗的主要器件，開關(guān)器件的精心選擇和最優(yōu)運用對逆變器效率水平的提升起到重要的影響。在通用逆變器的設(shè)計中，IGBT是最常見的開關(guān)器件。因為IGBT導(dǎo)通壓降的非線性特性使得IGBT的導(dǎo)通壓降并不會隨著電流的增加而顯著增加，從而保證了逆變器在大負載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。但是在輕載或輸出功率較小時，IGBT的導(dǎo)通壓降并不會顯著下降，這反而降低了逆變器的效率。相反，MOSFET的導(dǎo)通壓降是線性的，在小負載情況下具有更低的導(dǎo)通壓降，且其導(dǎo)通阻抗可以通過多個MOSFET并聯(lián)以進一步降低。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。

隨著近年來SiC器件的不斷發(fā)展，基于SiC基底的MOSFET器件導(dǎo)通損耗更是大幅低于現(xiàn)有器件，并且SiC器件還具有高阻斷電壓、高開關(guān)速度、低開關(guān)損耗等一系列優(yōu)點，除價格因素和耐壓等級的限制外，幾乎可以成為常規(guī)開關(guān)器件的最佳選擇。圖1為當(dāng)前MOSFET的導(dǎo)通阻抗對比，其中，CoolMOS是Infineon公司推出的低阻抗MOSFET產(chǎn)品。由圖中的對比可以看到，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大，將有力地推動逆變器向著更高的效率發(fā)展。

圖1 主要MOSFET器件的導(dǎo)通阻抗對比Fig.1 Conduction resistance comparison of MOSFETs

2 高效率的逆變電路拓撲

對于單相逆變器而言，其功率通常較小，常見的電路拓撲結(jié)構(gòu)有單相全橋和半橋。為了提高此類逆變器的變換效率可以采用圖2所示單相全橋結(jié)構(gòu)，在開關(guān)器件上混合使用IGBT和MOSFET［2］。上橋臂開關(guān)器件采用IGBT，開關(guān)頻率設(shè)定為電網(wǎng)頻率，而下橋臂則采用MOSFET，工作頻率則設(shè)置較高的開關(guān)頻率，如20 kHz。通過混合應(yīng)用2種器件的方式，以發(fā)揮IGBT導(dǎo)通損耗小和MOSFET開關(guān)損耗低的特點，這樣的電路結(jié)構(gòu)既保證了較高的開關(guān)頻率，又能達到很高的變換效率。

圖2 采用混合器件的單相全橋逆變拓撲Fig.2 Single-phase full bridge topology with combination devices

對于三相逆變器而言，其變換功率通常較大，一般采用如圖3所示二極管箝位型三電平逆變電路代替常規(guī)的三相橋式電路以提高變換效率。這種三電平逆變電路最早是由日本學(xué)者A.Nabae等人提出的［3］，在電力傳動領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。相對于傳統(tǒng)二電平三相橋式逆變器，三電平逆變器具有一系列優(yōu)點:①單管只需要開通或者關(guān)斷一半的直流電壓，開關(guān)損耗更小;②單管只需承受一半的直流電壓，可以采用低耐壓等級、低損耗的IGBT運用在高壓場合;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。因此，三電平逆變拓撲非常適用于高直流電壓、大功率的艦船電力系統(tǒng)，是提高三相逆變器效率的一個有效途徑。

在三電平電路中，每個橋臂中間2個開關(guān)管可以工作在電網(wǎng)周期頻率，最上方和最下方的2個開關(guān)管則工作在20 kHz左右高開關(guān)頻率。為了進一步提高變換效率，三電平逆變電路同樣可以采用不同類型IGBT組成混合器件結(jié)構(gòu)。根據(jù)開關(guān)頻率的不同，在每一相橋臂上將中間2個開關(guān)管選擇低導(dǎo)通壓降的Trench型IGBT，最上方和最下方的2個開關(guān)則選擇低開關(guān)損耗的高速NPT型IGBT，以充分發(fā)揮不同類型IGBT器件的特點，提升變換效率。

圖3 二極管箝位型三電平逆變拓撲Fig.3 NPC 3-level inverter topology

三電平電路雖然具有一系列優(yōu)點，但畢竟采用的器件較多，并且電流總需要流經(jīng)2個半導(dǎo)體器件，其通態(tài)損耗相對于傳統(tǒng)二電平三相橋而言較大。為了解決這一問題，文獻 ［4－5］提出了改進型三電平逆變電路的解決方案，富士電機公司針對這種改進的逆變拓撲，通過集成具有反向阻止能力的RBIGBT，推出了實用化的A-NPC IGBT模塊［6］。該模塊的電路結(jié)構(gòu)如圖4所示，其主要改進在于將NPC型三電平電路中間的開關(guān)管和箝位二極管用2個具有反向阻止能力的RB-IGBT并聯(lián)代替，通過控制RB-IGBT的導(dǎo)通以保證電流續(xù)流。

通過這樣的改進后，雖然主開關(guān)橋臂上的IGBT與傳統(tǒng)二電平一樣，需要承受全部的直流電壓，但每個開關(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)損耗大約只有二電平的一半;此外，任何時候電流僅流經(jīng)一個半導(dǎo)體器件，其通態(tài)損耗相對于二極管箝位型三電平逆變器而言進一步降低。

圖4 A-NPC三電平模塊Fig.4 A-NPC 3-level inverter module

3 復(fù)合母排的運用

功率母線雖然不是設(shè)備內(nèi)主要的發(fā)熱器件，但功率母線設(shè)計的好壞對于設(shè)備整體的效率也有較大的影響。

在電力變換設(shè)備中，連接直流側(cè)支撐電容器和開關(guān)器件之間的母線上總會存在一定的分布電感Ls。在開關(guān)管關(guān)斷的瞬間，電感Ls會阻止電流的迅速減小，并在Ls兩端感應(yīng)出瞬態(tài)尖峰電壓ΔU，其大小由下式?jīng)Q定:

現(xiàn)代IGBT器件的開關(guān)速度很快，開關(guān)過程中di/dt可達1 kA/μs甚至2 kA/μs，即使較小的分布電感也能引起很大關(guān)斷尖峰電壓。因此，功率母線上的分布電感，不僅會增大開關(guān)損耗，更為重要的是，關(guān)斷電壓尖峰會造成器件過壓，提高了開關(guān)器件所需要的安全耐壓等級。

IGBT的耐壓等級每提高一檔，其通態(tài)損耗、開關(guān)速度、開關(guān)損耗都會有明顯的增加。以同為Infineon公司第三代 IGBT的 FS75R06KE3和FS75R12KE3 IGBT模塊為例，其基本性能對比如表1所示。

表1 600 V與1200 V等級下IGBT性能對比Tab.1 600 V and 1200 V IGBT comparison

由于采用的IGBT內(nèi)核不同，從參數(shù)對比中可以明顯看到，600 V電壓等級的IGBT其通態(tài)壓降更低、開關(guān)速度更快、開關(guān)損耗更小，各項性能指標(biāo)明顯優(yōu)于1200 V等級IGBT。

為了盡量減小分布電感上的能量損耗以及減小電壓尖峰、選擇低耐壓等級IGBT器件，就必須盡量減小功率母線上的分布電感，其主要應(yīng)對措施是采用疊層式直流母線，即復(fù)合母排技術(shù)。

采用疊層式復(fù)合母排后，即使考慮直流電容和IGBT內(nèi)部的引線電感，從直流電容到開關(guān)器件總的分布電感量也可以控制在150 nH、甚至100 nH以內(nèi) (根據(jù)功率大小和結(jié)構(gòu)布置等因素有所不同)。以50 kW三相逆變器為例，假設(shè)功率母線上的分布電感為100 nH，IGBT關(guān)斷速度為250 ns，關(guān)斷電流為100 A，其關(guān)斷電壓尖峰僅為40 V，完全可以在800 V的直流母線上采用600 V的IGBT構(gòu)建三電平逆變電路，相對于采用1200 V器件，其整機的變換損耗可明顯減少。

4 低損耗的電磁材料選擇

濾波電抗器和變壓器作為逆變器內(nèi)的主要電磁元器件，是逆變器中除開關(guān)器件之外產(chǎn)生熱損耗最大的部件。因此，逆變器中電磁器件的低損耗設(shè)計是提升整機效率的重要一環(huán)。濾波電抗器和變壓器的損耗分為銅耗和鐵耗。對于銅耗而言，主要通過加大線徑、減小趨膚效應(yīng)等手段加以解決，而鐵耗則與磁芯材料的選擇有很大關(guān)系。目前，在逆變器上應(yīng)用的磁性材料主要有硅鋼片、鐵氧體、非晶態(tài)合金、微晶合金、坡莫合金等多種材料，各種磁性材料的特性參數(shù)見表2。由于各個電磁材料的特性差異較大，因此選擇不同材料設(shè)計出的濾波電感和變壓器在體積、重量、發(fā)熱等方面也有明顯的差別。

表2 磁性材料的特性參數(shù)表Tab.2 Magnetic materials characteristic parameters

硅鋼，是含硅元素 (一般在0.5% ～4.8%以內(nèi))的一種鋼材，是最常見的變壓器磁芯材料。它具有很高的飽和磁感應(yīng)強度和很高的居里溫度。但缺點在于電阻率低，高頻時硅鋼片的渦流損耗比較大，因此硅鋼片通常運用于低頻、大功率場合。

鐵氧體是金屬離子組成的尖晶石結(jié)構(gòu)的氧化物，具有很高的電阻率，遠遠高于金屬材料，能夠有效抑制渦流產(chǎn)生，高頻損耗極小，特別適合在高頻領(lǐng)域中應(yīng)用。但是鐵氧體飽和磁感應(yīng)強度卻比較小，通常只有0.2～0.5 T左右，并且熱穩(wěn)定差，機械強度低，易于破碎，不適合于大功率下使用，多用于小功率逆變電源。

非晶合金材料是利用超急冷技術(shù)將液態(tài)金屬直接冷卻形成厚度在0.02～0.04 mm的固體薄帶，得到的非晶合金組織。這種合金具有許多獨特的特點，如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性、高硬度、高電阻率等，具有較高的飽和磁感應(yīng)強度，價格低廉，是制造低損耗變壓器的優(yōu)良磁性材料。但是，非晶合金材料的磁致伸縮系數(shù)較大，是硅鋼的3～5倍，非晶合金工頻變壓器的噪聲大約為硅鋼工頻變壓器噪聲的120%。因此對于放置在艙內(nèi)的艦船逆變器而言，為了保證船員適宜的工作和起居環(huán)境，往往對工作噪聲有限制性要求，因此非晶合金材料在艦船逆變器中的運用需要慎重考慮。

微晶合金是含有銅和鈮的鐵基非晶合金在晶化溫度以上退火時形成非常細小的晶粒組織，晶粒尺寸在10～20 nm，因此其又叫納米晶合金。微晶合金具有高飽和磁感應(yīng)強度、高初始磁導(dǎo)率、低矯頑力、高頻損耗低的特點，利用其制成的變壓器效率可達99%以上［7］。從表2的對比可以看到，鐵基微晶合金幾乎集硅鋼、坡莫合金、鐵氧體的優(yōu)點于一身，具有優(yōu)異的綜合磁性能，只是機械加工性能較差以及成本問題，因此目前應(yīng)用還不廣泛。

總體而言，從高效率、低損耗的角度考慮，微晶合金材料是艦船逆變器中電磁部件的優(yōu)選磁芯材料。

5 結(jié)語

變換效率是逆變器一項關(guān)鍵的性能指標(biāo)，逆變器效率的高低對未來艦船綜合電力系統(tǒng)的整體效能有著重要影響。為了設(shè)計高效率的艦船逆變器，本文在開關(guān)器件和逆變拓撲結(jié)構(gòu)選擇、功率母線設(shè)計、電磁材料選型等各個環(huán)節(jié)進行了論述和探討，提出設(shè)計建議和注意事項，對艦船逆變器的工程設(shè)計具有積極的指導(dǎo)意義。

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