用于能源技术的低电感定制式电力电阻

　　集中发电技术正在经历一场革新。传统发电厂（如燃煤、燃气及核能发电厂）逐渐被可再生、分散化的解决方案（如风力、太阳能或生物质发电厂）取代。后一类电厂通常遵循相同的原理，亦即使用可再生能源（太阳能、风力和生物质）并通过一个或更多的转变过程产生直流或交流电压或电流。由于能源生产者是分散的，所以越来越多的电能不再馈入高压电力系统，而是馈入中压和低压电力系统。因此，未来将越来越需要采用储能器件的智能电力系统管理，以多变的方式满足峰值负载需求。这些发电厂的核心组件是能够以同步方式和合适的质量将产生的电能提供给电力系统或消费者的电力转换器。这些发电厂不仅会向各个组件提出极端要求，而且它们还必须在艰苦环境条件下达到约20年之久的使用寿命。

　　近年来，电力转换器的发展重点已转向更高功率密度和半导体的更高开关频率。第一个发展使得改进性价比成为可能，因为能够在保持系统成本几乎不变的同时增加输出功率。第二个发展增加了系统效率，因为由于开关频率的增加，系统损耗随之降低。

　　图1：电力转换器的概念电路图

　　电力转换器从电路图中的输入侧（左）移动到消费侧（右），有一个用于限制充电电流的电阻（RI），用于保护电容抗干扰。通电后，该电阻必须接纳大量脉冲能量。这一能量流或能量的应用出现在电容式充电的很短时间内，且通常只需一次（出现于起动期间且不具有周期性）。这向所使用的电阻技术提出了特殊要求。绝热边界条件因为脉冲的短持续时间而存在。因此，该能量只应用于电阻的有效材料（acTIve material），而不会通过热传导在整个电阻中传播。

　　与厚膜或薄膜技术相比，绕线电阻有效质量大并因此可适应高脉冲能量和连续功率。但低功率转换器采用了所有的电阻技术。其中包括SMD-MELF薄膜电阻、LTO厚膜电阻和上文提到的绕线电阻。如果功率较高，串联或并联的绕线电阻可组合为印刷电路板（PCB）元件（G200、AC、RS、CW、FS和Z300）。在功率超过50 W时，有许多特殊绕线电阻（如GWK、GWS、CSxx、FST、FSE、EDGx、RSO和GBS系列）或厚膜电阻（如散热器上的LPS或RPS，由于极其多样的连接选项，它们的安装位置可远离PCB）可供使用。

　　在交流电压变换到合适的电压平后，使用B6桥对交流电压进行调整，然后使用电感来抑制干扰。一方面，DC link电阻（RDC）和DC link电容的串联用于限制DC link电容的充电电流。该电流产生相对较高但不常发生的脉冲负载。另一方面，该串联用于抑制DC link电路中的谐波，该谐波等于一个连续负载（因为持续重复的脉冲序列）。因此，必须对所使用的电阻进行限定，以承受连续功率和脉冲功率。

　　最新电力转换器具有向电力系统或电力消费者提供电容式或电感式无功功率的选择。这是通过增加或减小DC link电路电压而实现的。这一增加是使用内部升压转换器或直接在电力转换器的输入位置实现的。斩波电阻（RBR）用于通过将多余电能转换为热能来减小DC link电路电压。功率MOSFET、IGBT模块或晶闸管提供电阻开关功能。

　　功率MOSFET和IGBT模块能够进行高频开关操作，但晶闸管只支持低频工作。当DC link电路电压有超过规定最大值的危险时，这些电源开关会连接斩波电阻。在DC link电路电压因为该操作而下降后，就会再次断开斩波电阻。这些斩波电阻安装简单，具有众多连接选项，其功率耗散为100 W - 1000 W。这种情况下常常会发现斩波电阻与撬棒电阻（crowbar resistor）的组合使用。在下游元件发生故障时，这种组合使得有可能将DC link的能量完全发散到电阻（RBR）中，从而防止电力转换器损坏。这里可选择主要成分为钢的钢格栅或钢板电阻。对于这些电阻类型，极其多样化的合金钢板具有回纹波结构，通过对它们进行级联，可按照需要来设置阻值、连续功率、脉冲功率和最大表面温度。钢板间的绝缘可使用陶瓷或云母材料。此外，这些钢板电阻还具有非常低的电感，因此在开关期间不会产生额外的电压尖峰。

　　钢格栅电阻（如Vishay GREx）由于其大表面提供的自然对流冷却或者使用风扇而适用于高连续功率。最大可实现散热量在此情况下仅受可用安装空间及风扇输出的限制。但如果需要更大功率而绝缘空间更小，则可使用水冷电阻，如Vishay WCR系列。

　　除了瞬态输入浪涌电流、滤波和所描述的DC link电路匹配的限制之外，还通过所示H桥电路将直流电压变换为具有可变频率及脉冲宽度的交流电压。滤波电阻（RHF）和串联的输出电容用于抑制输出级上的谐波。另外RHF还具有限制滤波电容的充电电流的作用。有端帽（capped）的绕线电阻（如GWK和FVT系列）因为安装方便及其高脉冲功率和连续功率而适用于滤波应用。该系列产品的不同之处在于其稳固的玻璃绝缘具有耐湿和抗化学清洁材料性能。GWK和FVT系列还能轻松实现低电感电阻。在此方面，有两根电阻丝以双股方式环绕在电阻体上。按照叠加原理，对旋式电流导致其产生的磁场相互抵消。

　　接下来是撬棒电阻（RCR）——如果它们还没有被放入DC link。如前所述，这种电阻的作用是防止周围元件在发生故障时过载。

　　RDC滤波电阻、RBR斩波电阻和RHF滤波电阻这三个电阻对优化型系统的效率优化具有很大的帮助作用。在高速开关元件（如IGBT或功率MOSFET）情况下，有必要对这些电阻进行精心设计，以实现低电感。电阻选择不正确可能导致因为寄生电感和电容而产生谐振电路。这些电路会产生峰值电压，使半导体元件过载或损坏。此外，寄生电感还会“圆化”信号波形，这会使产生具有陡峭上升沿的矩形脉冲不可能实现。另外这还对整个电路的功率和效率具有负面影响。

　　对于本文中提到的所有应用，Vishay提供采用不同电阻技术的对应解决方案。另外，Vishay还合适的电力电容，利用高质量元件确保所需转换器的长期效率和性能。