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近 年 来，以ＩＧＢＴ 为 开 关器 件 的 ＭＭ Ｃ 采 用了大 量 的 功 率 模 块 级 联 结 构，其 具 有 可 以 通 过 调节桥 臂 内 串 联 子 模 块 的 数 量 来 灵 活 调 节 换 流 器 的容量 和 电 压 等 级，使 器 件 的 开 关 频 率 和 开 关 应 力显著 降 低，使 输 出 电 压 谐 波 含 量 和 总 电 压 畸 变 率大大 减 小，交 流 侧 无 需 滤 波 装 置 ｍ 等 优 势 成 为 了柔性 直 流 输 电 工 程 及 其 他 高 压 大 功 率 电 力 电 子 换流器 的 主 流 结 构。采 用 模 块 化 设 计 也 使 其 更 适 合大规 模 生 产，缩 短 项 目 周 期，节 约 成 本。功 率 模 块 是 Ｍ Ｍ Ｃ 的 基 本 电 气 组 成 单 元，其设计 综 合 考 虑 了 结 构强 度 的 要 求、过 电 压 与 绝 缘配合、关 键 部 件 的 合 理 布 置 和 高 效 的 冷 却 设 计、直流母 排 的 低 感 设 计、控 制 电 路 的 电 磁 兼 容 性、冷 却水路 的 可 靠 接 入 以 及 防 火 防 爆 要 求，将 功 率 模 块的各 个 组 成 部 件 通 过 支 撑 结 构 与 电 气 连 接 有 效 地整合 成一个 紧 凑 单 元，具 有 安 全 可 靠、布 局 美 观、维护 方 便 等 特 点。此 处 以 Ｈ 桥 功 率 模 块 为 研 究 对 象，从 工 程化设 计 入 手，介 绍 了 功 率 模 块 的 设 计 思 路 和 经 验，特别 是对采用ＩＧＢＴ 并联技术所做 的 均流性设计。Ｈ桥功 率 模 块 具 有 更 广 阔 的 产 品 应 用，对 其 所 做 的工作 总 结 具 有 很 大 的 工 程 研 宂 价 值 和 指 导 意 义。功 率 模 块是 ＭＭ Ｃ 标 准 基 本 组 件，是 换 流 器最小 的、不 可 分割 的 功 能 单 元。该 最 小 集成 单元包括电 路 中 的 直 流 电 容 器、ＩＧ ＢＴ 模 块、均 压 电 阻、旁 路开关、取 能 电 源、ＩＧＢＴ 驱 动 板、功 率 模 块 控 制 板 等。电 容 器 的 主 要 功 能 是 储 存 电 能，支 撑 母 线电压，抑 制 电 压 波 动，同 时 也 为 控 制 电 路 提 供 电 源。电 容 器 体 积 和 质 量 都 很 大，使 得 操 作 人 员 在 安 装、检 修 时 非 常 不 便，结 构 设 计 时 应 采 用 分 体 式 设 计，故 障 率 较 高 的 功 率 部 分 可 以 单 独 拆 下 进 行 维 护。ＩＧ ＢＴ 作 为 功 率 模 块 的 关 键 器 件，选 择 时 需要考 虑 系 统 额 定 电压、额 定 电 流 以 及 串 联 模 块 个数等 因 素。ＩＧ ＢＴ 模 块 在 工 作 过 程 中 会 产 生一定 的热量，这 部 分 热 量 需 要 通 过 散 热 器 及 时 带 走，以 控制ＩＧＢＴ 的 工 作 结 温。功 率 模 块 在 过 载、过 温 或 短路时 会 造 成 功 率 器 件 损 坏，甚 至 爆 炸，必 须 通 过 合理设 计、布 置 以 减 小 破 坏 的 影 响 范 围。均 压 电 阻 主 要 用 来 在 换 流 器 启 动 充 电 和 闭锁状 态 下 均 衡 每 个 功 率 模 块 上 的 直 流 电 压。在 换流器 停 运 后，功 率 模 块 中 的 电 容 将 通 过 此 并 联 电阻进 行 放 电。旁 路 开 关 的 最 主 要 作 用 是 隔 离 故 障 功 率模块，使 其 从 主 电 路 中 快 速 隔 离 出 去 而 不 影 响 系统其 余 部 分 的 正 常 运 行。取 能 电 源 具 有 超 宽 的 电 压 输 入 范 围（ＤＣ２５０￣３３００Ｖ），直接从直 流 电 容 器 取 电，可 输 出 Ｄ Ｃ ４ ０ ０Ｖ为 旁 路 开 关 供 电，输 出 Ｄ Ｃ１５ Ｖ 为 模 块 控制 板和驱 动 板 供 电。功 率 模 块 控 制 板 具 有 触 发 控 制、旁 路 控 制、直流 电 压 和 温 度 监 测、故 障 保 护、与 阀 基 电 子 设 备的通 讯 等 功 能，实 现 功 率 模 块 级 的 控 制 和 保 护。由于功 率 模 块 控 制 板 处 于 高 电 磁 场 环 境 中，所 以 需要布 置 在一个 封 闭 的 铝 屏 蔽 盒 内。ＩＧ Ｂ Ｔ 驱 动 板 是 主 电 路 和 控 制 电 路 之 间 的接口，负 责 将 控 制 板 发 出 的 开 关 信 号 转 换 成 适合ＩＧＢ Ｔ 驱 动 的 信 号，对ＩＧＢ Ｔ 开 关 进 行 控 制，也对ＩＧ Ｂ Ｔ 有一些 保 护 措 施。该 设 计 案 例 采 用 了 Ｈ 桥 和 两 支ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块并联 拓 扑 电 路，其 硬 件 结 构 如 图１所 示。 
ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 并 联 使 用 时，需 要 考 虑 电 流 在 各个模 块 间 的 均 衡 分 配 问 题。影 响ＩＧ ＢＴ 模 块 并 联电流 分 配 均 衡 的 主 要 因 素 有：① 并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 器件本 身 的 参 数 差 异；②并 联ＩＧＢ Ｔ 模 块 主 电 路 布 线的影 响；③并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 驱 动 电 路 设 计 的 影 响；④并联丨Ｇ Ｂ Ｔ 模 块 之 间 的 温 度 差 异。并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块最好 选 用 同 芯 片 技 术、同 型 号、同 生 产 日 期 和 同一包装 内 的ＩＧ Ｂ Ｔ 器 件，力 争 实 现 器 件 参 数 的 匹 配。该 设 计 案 例 采 用 共 驱 动 板 来 实 现 两 个 并联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 的 驱 动，以 保 证 开 关 时 间 同 步；驱 动板直 接 安 装 在 两 个 并 联ＩＧＢ Ｔ 模 块 上，使 驱 动 线 对称分 布 且 最 短。功 率 模 块 直 流 回 路 中 的 杂 散 电 感 对ＩＧ Ｂ Ｔ的开 关 动 作 具 有 重 要 的 影 响，它 与 集 电 极 电 流 变化率 ｄｉ ／ ｄｔ共 同 作 用 产 生 浪 涌 电 压，与 直 流 侧 电 压叠加 产 生 关 断 浪 涌 电 压 尖 峰，给ＩＧ ＢＴ 带 来 很 大 的电压 应 力，严 重 时 会 损 坏ＩＧＢ Ｔ 模 块。叠 层 母 排 的良好 设 计 可 以 起 到 吸 收 电 路 的 作 用，减 小 换 流 回路的 杂 散 电 感。叠 层 母 排 的 基 本 设 计 原 则：① 电 容器端 子 到ＩＧＢＴ 模 块 端 子 的 路 径 尽 量 短，端 子 的 布置使 电 流 最 接 近 于 正 反 向 流 动；② 叠 层 母 排 中 间 的绝缘 层 在 保 证 绝 缘 强 度 的 情 况 下 尽 量 薄；③ 在 保证载 流 量 和 结 构 强 度 的 同 时，铜 板 厚 度 尽 量 薄；④正、负 母 排 的 叠 层 面 积 尽 量 大；⑤ 电 容 端 子 的 布 置相对 于ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 要 对 称。该 功 率 模 块 对 叠 层 母 排 的 主 要 性 能 要 求如下：额 定 工 作 电 压 Ｄ Ｃ ２ ｋ Ｖ，Ａ Ｃ１．２ ｋ Ｖ，峰 值 电压３．３ ｋ Ｖ；正 负 极 间 爬 电 距 离 不 小 于３ ２ ｍ ｍ；最 大直流 电 流１２ ６ ０ Ａ，最 大 交 流 电 流１５ ５ ０ Ａ；绝 缘 耐压Ｄ Ｃ７ ｋ Ｖ，６ ０ ｓ，无 击 穿 闪 络；工 作 温 度 小 于 等于１０ ５°杂 散 电 感 小 于 等 于７ ０ ｎ Ｈ；母 排 表 面 处理镀 镍８~１２u ｍ；阻 燃 等 级 Ｕ Ｌ９ ４－Ｖ０。由 于 该 设 计 案 例 采 用 了 两 支ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 并联技 术，主 电 路 电 感 的 不 均 匀 性 会 导 致 开 关 时 间的不一致，电 阻 的 不 均 匀 性 会 影 响 静 态 均 流 差 异，进而 导 致 并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 间 电 流 分 配 的 不 均 衡。为 了 降低电 感 和 电 阻 的 不 均 衡，电 容 器 至 两 个 并 联ＩＧ Ｂ Ｔ模块 之 间 的 直 流 母 线 和 负 载 侧 的 交 流 母 线 都 应 当遵循 结 构 对 称 且 最 短 原 则。电 容 器 的 出 线 端 子 同样需 要 采 用 对 称 等 距 设 计。该 叠 层 母 排 采 用 热 压 合 工 艺，将 正、负、交流铜 排 及 绝 缘 层 压 合 在一起，主 绝 缘 层 采 用２ ｍｍ厚 的 Ｆ Ｒ４ 环 氧 树 脂 板，铜 排 采 用 ０．２５ ｍ ｍ厚 聚脂薄 膜 Ｐ Ｅ Ｔ 包 裹，交 流 母 排 采 用 ２ ｍｍ厚 的 紫 铜 板，直 流 母 排 釆 用１．５ ｍ ｍ厚 的 紫 铜 板。交 流 母 排 位于正 负 母 排 的 上 方，由 于 交 流 母 排 与 正 负 母 排 耦合的 不 对 称 性 以 及 互 感 解 耦 时 的 相 异 性，使 得 总杂散 电 感 减 小 ＇ 叠 层 母 排 由 多 层 结 构 压 合 而 成，且面 积 较 大，为 避 免 其 较 大 的 重 量 给ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 接线端 子 带 来 过 大 的 机 械 应 力，在 叠 层 母 排 的 底 部设计 绝 缘 垫 块 支 撑。为验 证 设 计 的 合 理 性，利 用 Ａ ｎ ｓ ｏ ｆｔＱ ３ Ｄ 软件进 行 仿 真 验 证，短 接ＩＧＢ Ｔ 侧 正、负 端 子，从 电容侧 正、负 端 子 处 进 行 激 励，结 果 如 图 ２所 示，其仿真 结 果 为 杂 散 电 感２ ２．４ ｎ Ｈ，符 合 设 计 要 求。为验证 叠 层 母 排 的 载 流 能 力，对 其 进 行 温 升 仿 真，设环境 温度 为 ４０ 给 直 流母 排 输 入１２ ６ ０Ａ 电 流，给交 流 母 排 输 入１５ ５ ０ Ａ 电流，仿 真 结 果 如 图３，４所示，温 升 分 别 为１１．５° 和１０．５°，符 合 设 计 要 求。
对 制 造 完 成 的 叠 层 母 排 进 行 杂 散 电 感 测 试，用 铜 排 将ＩＧ Ｂ Ｔ 侧 端 子 短 接，用 高 精 度 ＬＣ Ｒ 数字电 桥 测 量 电 容 侧 端 子 间 的 电 感，测 试 的 结 果为２ ２．３ ｎ Ｈ，与 仿 真 结 果 基 本一致。该 模 块 的 主 电 路 设 计 综 合 考 虑 电 气 性 能、安装 空 间、成 本 等 方 面 的 因 素，采 用 了 叠 层 母 排 与铜排 相 结 合 的 设 计 方 法。由 于 功 率 模 块 的 输 出 端没有 杂 散 电 感 的 要 求，直 接 采 用 普 通 铜 排 连接。ＩＧ ＢＴ 模 块 工 作 的 过 程 中 必 须 采 取 有 效 的散热 措 施，在 任 何 工 作 条 件 下 都 不 允 许 结 温 超 过其允 许 温 度，冷 却 方 式 的 选 择 和 散 热 设 计 是 影 响功率 模 块 可 靠 运 行 的一个 重 要 方 面。在 大 功 率 电力电 子 换 流 器 冷 却 技 术 中，目 前 水 冷 技 术 是 主 要应用 技 术。负 责 带 走ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 热 量 的 水 冷 散 热 器的设 计 至 关 重 要，水 路 应 当 尽 可 能 地 均 匀 布 置在ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 内 部 芯 片 的 正 下 方，使ＩＧＢＴ 模 块 基板底 面 散 热 效 果 相 同，且 水 路 距ＩＧ Ｂ Ｔ 基 板 底 面 距离要 短，为ＩＧ Ｂ Ｔ 提 供一个 热 阻 尽 可 能 低 的 热 流 通 路。温 度 的 差 异 也 会 引 起 并 联ＩＧ ＢＴ 模 块 间 电流分 配 的 不 均 衡，那 么 并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 应 放 置 在同一个 散 热 器 上 并 合 理 布 局，通 过 必 要 的 散 热 结构设 计，使 其 底 面 温 度 尽 量 接 近。根 据 电 气 结 构要求，该 设 计 案 例 将一个 半 桥 功 率 器 件 布 置 在一个散 热 器 上，该 功 率 模 块 共 需２ 支 散 热 器。１个ＩＧＢ Ｔ 模 块一般 包 括１个ＩＧ ＢＴ 和１个反向 并 联 的 二 极 管，ＩＧＢ Ｔ 的 损 耗 包 括 通 态 损 耗 和开关 损 耗，二 极 管 的 损 耗包 括通 态 损 耗 和 关 断 损 耗。根 据 功 率 模 块 的 使 用 工 况 特 性，经 电 气 功 率 损耗计 算、结 构 要 求、使 用 环 境 要 求 及 对 阀 冷 系 统 的经济 性、可 靠 性、节 能 性 要 求，该 功 率 模 块 采 用 两支散 热 器 串 联 的 水路 结 构，对单 支 散 热 器 提 出 以 下技术 条 件：散 热 器 外 形 尺 寸：５ ０ ０ ｍｍ ｘ ３ ４ ０ ｍｍ ｘ ３ ２ ｍ ｍ；材 质：Ａ Ｌ ６ ０ ６ ３－Ｔ６，表 面 镀 镍８-１２u ｍ，安 装 面的粗 糙 度 小 于 等 于１．６ ｐ ｍ；散 热 功 率：１５ ３ ５ Ｗ ｘ ４＝６１４ ０ Ｗ；进 水 温度：１ ５-５ 0 °C；冷 却 介 质：４ ５ ％ 乙二醇 ＋ ５ ５ ％ 纯 水（去 离 子）；额 定 流 量：２ ０ Ｌ ／ ｍｉｎ；散热器 表 面 允 许 最 高 温度 小 于 等 于７５ °C；流 阻 小 于等于２．５ ｂ ａ ｒ；设 计 压 力：１０ｂ ａ ｒ。根 据 技 术 条 件，米 用ｓ ｏｌ ｉｄ ｗｏ ｒ ｋ ｓ建 立 散 热 器模型，利 用 Ｆｌｏｗ Ｓｉｍｕｌ ａ ｔ ｉｏｎ进 行 仿 真 设 计，经 过 结构不 断 优 化，通 过 改 变 水 道 的 深 度 来 平 衡 并 联ＩＧＢＴ模 块 底 板 的 温 度。取 得 流 量 和 压 降 的 优 化 曲 线，并确 定 散 热 器 基 板 最 高 温 度 和 温 度 分 布，优 化 后的设 计 结 果 如 图 ５，６所 示，其 中 并 联ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块底板 温 差 小 于 等 于１．５满 足 技 术 要 求。
对 制 造 完 成 的 散 热 器 性 能 进 行 测 试，按 要求通 入 冷 却 液，热 阻、流 阻 测 试 示 意 见 图７，满 足设计 要 求。环 境 温 度 为１ ８丈 下，流 量：２ ０ Ｌ／ ｍｉｎ，压降０．５ ５ ６ ｂ ａ ｒ，T1＝ ５ ５．１２°Ｃ，Ｔ２＝ ５ ６．５ 8°Ｃ，T３＝ ５ ７．８ ７°Ｃ，T4=５ ６．０１°Ｃ，Tin=４ ５．６４°Ｃ，Tout＝５ ０．１１°Ｃ，Δt＝１２．２ ３°Ｃ，通 电 功 率６１７ ９ Ｗ，R＝ １．９ ７ ９ ３ Ｋ／ ｋ Ｗ。
功 率 模 块 的 设 计 应 尽 可 能 消 除 导 致 火 灾 的因素。电 容 器 采 用 具 有 防 火、防 爆 性 能 的 干 式 电容器。非 金 属 材 料 选 择 阻 燃 的，并 具 有 自 熄 灭 性 能。所有 发 热 元件 都 留 有 散 热 通 道，避 免超 过 其 允 许 温 升。结 构 设 计 中 尽 量 减 少 电 气 连 接 点 的 数 量，并 且采用 合 理 搭 接 面 及 螺 钉 布 置 使 母 线 接 触 电 阻 最 小。安 装 有ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 的 水 冷 散 热 器 水 嘴 向 上，固定 在一块 Ｑ２ ３ ５折 弯 成 型 的 托 架 上，面 对 面 布 置，散热 器 的 前 后 两 侧 固 定 有 高 强 度 阻 燃 性 Ｆ Ｒ４ 绝缘板，顶 部 设 计 有 铝 制 盖 板，在 散 热 器、托 架、绝 缘板及 盖 板 的 包 围 下 形 成 了一个 封 闭 的 防 爆 空 间，抑制 了 ＩＧ Ｂ Ｔ 爆 炸 时 碎 片 飞 溅 导 致 其 他 器 件 的 损 伤。为 了 减 小ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 底 面 与 散 热 器 表 面 之间的 接 触 热 阻，散 热 器 安 装 面 的 平 面 度 应 控 制在０．１ｍｍ 以 内；装 配 过 程 中，应 采 用 专 门 设 计 的不锈 钢 网 印 工 装 在ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 的 底 面 上 均 匀 地 涂抹一层 导 热 硅 脂，以 填 充 与 散 热 器 接 触 面 间 的 细微间 隙，同 时 还 起 到 隔 绝 空 气、防 止 安 装 面 氧 化 的作用。导 热 硅 脂 的 厚 度 应 根 据 器 件 厂 商 的 要 求一般控 制 在８ ０-１ ２ ０um 。当 将ＩＧ ＢＴ 模 块 安 装 在 散 热器上 时，应 采 用 力 矩 扳 手 按 照 规 定 的 顺 序 和 力 矩值进 行 紧 固。叠 层 母 排 与ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 和 电 容 器 端 子的连 接，母 排 与 母 排 之 间 的 连 接 都 必 须 按 照 规 定的紧 固 顺 序 和 力 矩 值 进 行 紧 固 。这 里 开 展 了 基 于 Ｍ Ｍ Ｃ 的 Ｈ 桥 功 率 模 块 设计研 究 工 作，经 厂 内 各 项 性 能 参 数 测 试，各 项 指 标均满 足 系 统 设 计 要 求，可 批 量 化 生 产。功 率 模 块 的设计 水 平 直 接 影 响 到 换 流 器 的 各 项 电 气 性 能 及 使用寿 命，此 处 阐 述 了一些 设 计 经 验 和 解 决 方 案，特别芑 针 对 采 用ＩＧ ＢＴ 并 联 技 术 所 做 的 均 流 性 设 计方法，也 为 其 他 大 功 率 电 力 电 子 换 流 器 的 设 计 提供一些 参 考 思 路。目 前ＩＧ Ｂ Ｔ 模 块 并 联 技 术 在 高 电压大 功 率 变 流 器 中 应 用 还 很 少，在 今 后 的 工 作 中还需 对 这 方 面 的 设 计 进 行 不 断 优 化 总 结。来源：电 力 电 子 技术 第 ５ ６ 卷 第 ８期 |
