大功率风电变流器中的母排设计

1 引言

与普通逆变器、变流器相比，风电变流器有以下几个特点：①功率密度大，直流侧电压高;②使用环境恶劣，国内风电场一般集中在东北、华北、西北和沿海地带。东北和华北寒冷、温差大;西北部风沙大、灰尘多;沿海地区空气湿度大、腐蚀力强;③连续工作时间长，在风力较好的季节，变流器经常连续几个月处于满负荷运行状态;④可能会出现阵风、台风等恶劣天气。这些特点对风电变流器的主电路设计，尤其是功率模块单元的母排设计提出了更高的要求。如果母排设计不合理，没有考虑到风电变流器的特殊要求，可能会出现下面几个问题：①母排过热，这是由于风电变流器的直流侧电流大、电压不稳定，再加上风季时长时间处于满功率运行状态，容易导致母排过热;②母排电感过大，产生过高的尖峰电压，导致安全裕量变小，当遇到阵风、台风等恶劣天气时，变流器直流侧电压会短时急剧升高，功率器件很可能出现过压，严重时可能会导致功率器件炸毁，造成重大损失;③因制造和装配误差、母排本身和电容等重力作用，导致功率器件受力是不可避免的，如果不在母排设计阶段将这些因素考虑进去，很可能导致功率器件承受过大的应力，风电变流器的功率比较大，母排一般都比较大，电容数量多，更增加了这种风险;④母排防护不够，随着灰尘、潮气的侵入，导致绝缘失效。

因此，针对上述问题，本文提出了风电变流器直流侧母排设计原则及要点。实践证明，根据这些原则及要点设计的母排具有很高的可靠性。

2 大功率直流侧母排设计原则

(1)杂散电感小，具有一定的电磁兼容能力。

(2)结构简洁紧凑，安装方便，具有良好的维护性。

(3)母排支撑可靠，受力情况考虑周全，功率器件受力小。

(4)可靠性强，能保证在特定的环境中长时间运行。

(5)经济适用，节省材料。

3 设计准备

在进行直流侧母排结构设计之前，要首先明确以下几方面的问题。

⑴ 确定风电变流器的工作环境。要确定变流器是室外型还是室内型，高原型还是地面型，严寒地区还是潮湿地区。并根据这些环境条件来确定环境的污染等级、极限温升和最小爬电距离与电气间隙。

⑵ 了解电路拓扑结构，收集相关元器件规格书。

⑶ 确定额定工作电压和电流。目前，风电变流器主流机型的直流侧母线电压均在1100V左右，电流从几百A到几千A不等，这取决于风电机组的功率大小。额定工作电压和电流作为计算母排尺寸的一个重要依据。

⑷ 使用寿命。使用寿命的选取会影响到直流母排的结构工艺及其绝缘材料的选择。风电变流器的寿命一般要求20年，故对直流母线的寿命也一般要求不低于20年。这样，在产品的生命周期内，母排就可以免于维护。

4 母排结构设计

在确定了母排工作环境、电路拓扑、电气参数等一些具体要求以后，就可以开始母排的设计。首先，依据电流大小计算铜板的截面积。需要注意的是不要选择过厚的铜排，因为电流流过导体存在集肤效应[1]，集肤深度计算公式为

 

(1)

 

式中：δ为集肤深度;μ为磁导率;σ为电导率。

风电变流器的功率密度大，母排导体一般选择紫铜材料，紫铜的磁导率为4 X10-7H/m，电导率为5.8X107S/m。风电变流器的功率器件开关频率一般为2kHz -3kHz，就以3kHz为例，根据式(1)可以计算出集肤深度为：

 

 

所以，铜板厚度一般采用1.5mm—2.5mm为宜。如果没有注意到这一点，不但浪费材料，还往往伴随出现母线过热的现象。

此外，直流侧母排设计应重点考虑以下几个要点。

3.1 尽量减少电感

由于杂散电感的作用，在IGBT关断时会出现尖峰电压，此电压与直流回路电压叠加，对功率器件和母排绝缘构成很大威胁。变流器功率越大，功率器件di/dt越大，这种危害就越严重。由杂散电感引起的尖峰电压UL为：以下脚注改为正体，i与t改为斜体

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

式中：LB为母排寄生电感，LM为功率模块寄生电感。

由(2)式可知，降低电压尖峰有两个途径：① 通过改变门极驱动电阻的值来减小di/dt，将导致开通和关断的时间延长，功率器件的损耗增加，这会使变流器的效率降低，而且给功率器件的散热也将带来挑战。所以靠减小di/dt来减小杂散电感是有限的;② 减小杂散电感(LB+LM)，(LB+LM)当功率器件选定以后，其自身寄生电感就基本固定，能够减小的就只有母排寄生电感了，所以，母排设计是获得低电压尖峰的关键。为获得低电感的母排，在母排设计时可以从以下几个方面考虑。

3.1.1采用叠层结构

由邻近效应可知，某一导体的高频电流在邻近的导体层会形成镜像电流。对于双层铜排，当信号路径与地平面互相叠层，并使满足绝缘层厚度的间距远小于导体宽度时，高频电流将主要分布在两块铜排相临近的两个内部平面上，部分高频磁场能够相互抵消[2]，从而减小回路中的电感。

3.1.2 取合适长宽比

叠层母排的总等效杂散电感为

LB=LI+LC (3)

式中：LI为母排内部等效电感，与频率有关，频率越高，内电感越小[3]，此处可以忽略不计;LC为母排外部等效电感

根据文献[3]可知，

当t<

 

(4)

 

式中：t为单层铜板厚度;d为绝缘层厚度;l为叠层母排长度;w为叠层母排宽度。从式(3)可看出，母排长度越短，宽度越大，电感越小。

3.1.3 支撑电容布局设计合理

尽管采用了叠层母排，可以有效减小杂散电感，但是电感还是存在的，而且功率器件本身的寄生电感也是无法消除的。因此，直流侧应设置一定数量的支撑电容，以便有效抑制杂散电感。目前，风电变流器上常用的支撑电容主要有两种：铝电解电容和膜电容。由于铝电解电容的耐压等级较低，一般需要大量的并串联，所以其母线设计比较复杂，而且铝电解电容发热严重，寿命短，逐渐被膜电容取代。膜电容拥有耐压高、寿命长、发热少等诸多优点，正获得越来越广泛的应用。由于膜电容耐压高，额定工作电压可达1100V，在低压风电变流器中一般就不需要串联，简化了母排设计，也减小母排寄生电感，建议优先选择膜电容作为直流侧支撑电容。在电容布局设计时，要注意以下两个问题：

⑴ 电容的摆放很重要，如图1所示，图1(a)与图1(b)的区别仅在于电容端子方向正好相差90°，电流路径构成的环路面积就大不相同。环路面积越小，电感越小。因此，图1(b)布局优于图1(a)布局。

 

 

 

 

             (a)                                                                         (b)

 

图1 电容两种不同的摆放方式构成的环路面积：(a)回路面积大，不合理;

(b)合理，应采用此种摆放方式

⑵ 尽量避免使用大容量的超级电容，如图2(a)所示，电流路径有交叉，电感大;多电容并联可以改善电流流向，如图2(b)所示，正负极电流路径尽可能重叠，能抵消更多的高频磁场，从而减低回路中的电感。

 

 

(a) (b)

图2 多电容并联设计与单电容设计电流路径示意图

3.2 避免功率器件受到过大的外力

功率器件都比较“娇气”，不能承受较大的外力，作为直接和功率器件连接的母排设计就必须注意这一点，尽可能减小功率器件受力状况。通常采用的措施有以下几点。

⑴ 在空间大小允许的情况下，应在母排靠近功率器件的地方设置支撑，将一部分外力转移到支撑零件上，以改善功率器件受力情况，如图3所示。

支撑件

 

 

图3 带支撑的母排安装示意图

⑵ 母排引脚退火处理，增加引脚的塑性变形能力。退火后硬度极大降低，而对导电率几乎无影响，如表1所示。

	硬度	导电率
局部退火前	89HV30	101%IACS
局部退火后	46HV30	99～102%IACS

表1 退火前后的硬度和导电率比较

硬度导电率

局部退火前89HV30101%IACS

局部退火后46HV3099～102%IACS

⑶ 母排引脚安装孔设计成长圆孔，以弥补制造和安装误差，从而改善功率器件受力。

⑷ 在引脚上增加细长缺口，增加引脚的弹性和塑性变形能力，如图4所示。

 

 

图4 母排引脚上开细长缺口

3.3 多功率器件并联时的母排设计。

目前，MW级风机已经占据了主流市场，并且向更高功率等级发展，单个功率器件已不能满足要求，多个功率器件并联是必然的选择。两个或两个以上的功率器件并联，母排上的电容分布应尽量考虑相对于功率器件对称，有利于各功率器件的均流，同时也避免个别的电容因承受较大的电流而发热严重。如图5所示，为某大功率变流器的网侧变流器一项模组，由两个FF1400R17IP4英飞凌IGBT并联。母排设计成关于两个IGBT中心完全对称，从实际测试结果看，各项参数良好，获得了比较理想的波形，并在长时间带载测试过程中运行稳定。

 

 

图5 典型的并联IGBT直流侧母排设计

3.4 避免设计尺寸过大的母排

母排尺寸越大越容易变形，加大了母排加工制造和安装的难度，并且还会导致支撑电容发热不均衡性增大，距离功率器件近的电容会急剧发热，严重影响电容寿命，严重时可能会导致电容失效。另外，过大的母排带来维修不便且增加维修成本，如果母排局部有一点损坏，就必须将整个母排更换掉，维护成本大大增加。因此，在条件允许的条件下，可以将大尺寸母排拆分成几个小母排，以避免上述缺点，并增加相关部件结构设计的灵活性。

3.5 母排的环境适应性设计

目前，常用的叠层母排结构有下面4种形式。

(1)多层铜板+层间绝缘

 

 

图6 铜板裸露

这种结构叠层母排，主要特点就是结构简单、成本低，但是防护性差，主要应用于承载电流电压均较小且处在内陆干燥地区的变流器上，MW级的变流器的主功率回路中基本上不采用此种结构。

(2)多层铜板+层间绝缘+树脂喷涂

 

 

图7 树脂喷涂

此种母排采用耐老化、耐腐蚀的高性能绝缘粉末，通过压合和喷涂技术制作而成。喷涂层厚度可以调节，一般可以做到0.2mm-1mm之间，主要看具体应用环境和电性能要求。当母排结构比较复杂时，采用树脂喷涂有一定的优势。

(3)多层铜板+层间绝缘+绝缘包覆+树脂灌胶/环氧封边

 

 

图8 树脂灌胶

(4)多层铜板+层间绝缘+绝缘包覆(压合封边)

 

 

图9 压合封边

此种母排结构应用最为广泛，全密封结构有效防止了因灰尘、潮气而导致的绝缘性能下降，可在最大相对湿度95%的环境中长期工作。当变流器应用在近海或沙漠等环境较恶劣的地区，母排设计除了适当加大爬电距离和电气间隙外，还应加大对载流铜板的防护，采用压合封边这种结构是比较理想的选择。

5 设计实例

图10为某型号风电变流器功率模组的初始结构三维图，该模组的直流侧母排由前模块母排、后模块母排和连接母排构成，此3个母排均为开放式的叠层母排。然而，在风场运行过程中，频频出现IPM(智能功率模块)炸毁现象。经分析，引起IPM炸毁可能有以下3个原因：①母排设计不合理，电感大，模块在关断过程中出现比较高的电压尖峰，当电压尖峰超过IPM承受的极限时，模块炸毁;②由于风场沙漠化比较严重，灰尘比较大，母排上积聚了大量灰尘，导致母排正负极出现打火放电，模块过流炸毁;③叠层母排的层间绝缘采用的是0.7mm厚的环氧树脂板，如果环氧树脂板本身有划伤，在变流器运行时，该叠层母排可能会出现局部放电，日积月累，导致层间绝缘被击穿。所有的问题都指向母排。

 

图10优化前的母排设计

 

 图11优化后的母排设计

所以，我们对母排进行了优化，如图11所示，将原来的3个母排合成一个母排，极大降低了回路中的杂散电感，经测算，直流侧母排电感由原来的89nH左右下降至43nH左右;并且采用了层铜板+层间绝缘+绝缘包覆(压合封边)结构，整个母排除接头外，其余的地方是一个密闭的结构，正负极铜板基本上处于密闭状态，消除了灰尘的威胁，并提高了绝缘性能，通过了湿热循环、耐高压、局部放电等测试。采用整改后的母排后，经过了较长时间的运行，变流器运行稳定，无模块炸毁事故。

6 结束语

直流侧母排设计是整个风电变流器结构设计工作中的一个关键点。本文根据多年风电变流器结构设计经验并结合相关理论，从母排电感的抑制、母排应力分析以及环境适应性等几个方面系统阐述了母排的设计要点，最后结合实例，作进一步分析说明，对以后的设计工作具有重要的指导意义。另外，随着风力发电机组设计和制造水平的不断提高，5MW、7MW的风电机组被陆续研制出来，并向更高功率发展。作为风电并网的核心设备——风电变流器，也相应地在向更大的功率方向发展，将会对母排的设计提出更高的要求。

参考文献

[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.

作者简介

黄彭发(1983.5.20—)，男，工程师，主要从事大功率风电变流器结构设计工作。■