关键词：四象限；水冷；功率单元

Abstract: The design of power unit is crucially important part of high power four-quadrant inverter. In this paper, a structure of water-cooling power unit is proposed. Temperature and other data sources of cold plate are obtained by theoretical calculation and thermal simulation analysis. And the power unit was trial-manufactured, temperature test was carried out. By compared experiments, the structure of power unit was proved.

Key words: Four-quadrant; Water-cooling; Power unit

1  引言

随着四象限高压变频器在提升机领域的广泛应用，国内市场亟需大功率四象限高压变频器。但大功率四象限高压变频器国内市场基本被西门子、ABB等国外品牌占领，从而引起价格高，维修周期长和不及时等多个问题。功率单元是实现高压变频调速装置的关键模块。为克服上述问题，我们开发设计了一种水冷型大功率功率单元。本文主要介绍功率单元的设计开发、和对单元做的温升试验等。

2  单元理论计算与仿真分析

功率单元中功率开关器件的功率损耗是整个单元中发热量最严重的元件，该水冷单元主要发热器件为整流IGBT和逆变IGBT；一个IGBT模块的总损耗包括单个IGBT及其并联二极管的损耗；以6kV、5000kW高压变频器、整流IGBT和逆变IGBT为FF1000R17IE4为例来计算整流和逆变损耗。

IGBT的损耗包括通态损耗和开关损耗^[2]即：
  

GBT标称电流值；V_CEN为IGBT集电极-发射极标称电压值；Vdc为直流母线电压值。

二极管通态损耗：

式子（5）中：E_{diode（off）p}为二极管关断损耗能量（每脉冲）。

将相关参数代入上述公式，整流IGBT模块的损耗为1922W；逆变IGBT模块的损耗为882W；故需要水冷散热器的总热量为3X1922+882X2=7530W；依据电气工程师提供的电路图和电器件尺寸，在仿真软件中建立仿真模型，整流和逆变IGBT的特征参数如附表所示。水冷仿真的介质为20℃的纯净水；水流量按照20L/min；得到仿真分析结果如图1所示：从图1中可看出，水流量在20L/min时，IGBT最高温升最高18.1K（38.10-20=18.1），温升可以满足要求。对功率单元结构进行设计，得到如图所示的水冷功率单元三维模型，如图2所示。对结构件和电气件进行采购、装配、接线如图3所示。

与现有风冷功率单元相比，该功率单元具有以下优点：

（1）集成了电容，结构紧凑，提高了水冷单元的空间利用率，也为后期水冷高压变频器的设计提供了基础；

（2）电容单元之间、IGBT之间均采用了叠层复合母排；单元的控制板离复合母排、电子器件较远，并采用绝缘板隔开；均可减少了干扰和杂散电感；

（3）该单元为模块化设计、可扩展性较强，可作为不同电压等级高压变频器的功率单元；

（4）该功率单元可覆盖17500kW以下的容量高压变频器；

（5）此外，上部控制箱体、与水冷板、IGBT和复合母排单独组成一个部件，可方便地进行拆卸，方便了控制板的更换。

（6）单元采用可快速插拔水接头，不漏水，也为功率单元设计了转向轮，方便单元的移动安装；

3  实验前准备工作

首先，对单元内部的IGBT参数核对，对电容参数和数量进行核对，对IGBT驱动板型号核对，对单元内部的整流控制板型号、逆变控制板型号、电源板型号以及相应内部的程序进行核对，对单元内部互感器型号进行核对。

4  复合母排的耐压测试

对复合母排做耐压测试^[1]的目的是：检测叠层复合母排邻近两块铜排之间的耐压是否正常；通常对复合母排做直流耐压实验，观察试验电压条件下泄漏电流的数值，来判断耐压测试的合格与否。

实验条件：设置测试参数为（2UN+1000）V DC或2.5UNV DC（取二者中较大值）,漏电流小于2mA/1min；

测试过程：分别对水冷功率单元内部的两块复合母排进行测试，分别对复合母排正负排之间和正负排外层绝缘膜之间进行测试，将耐压仪电压升高到3kV，保持不变1min，观察漏电流数值小于2mA，不出现击穿或者闪络现象、铜排之间无破裂、损坏、弯曲、脱落、变色等象限即为合格；

实验结果：两块复合母排的耐压测试结果均满足要求；

5  功率单元温升测试试验

5.1  功率单元原理

功率单元原理如图4所示。

图4 功率单元原理图

5.2  搭建测试台原理

搭建的水冷单元测试台原理如图5所示，三相电源接到整流桥；整流桥整流后的直流侧接到水冷单元的直流侧，水冷单元的整流和逆变均工作在逆变状态；水冷单元的整流三相输出接三相电抗器，逆变单相输出接单相电抗器。

图5 单元测试的原理图

5.3  试验测试方案及其结果

首先，搭建功率单元测试平台，并对水冷系统进行上电调试系统，将水冷系统的流量和系统压力调整到规定值，对功率单元的各个地方接线进行检查，开始对水冷单元进行测试。功率单元设计的额定流量为20L/min，表1给出了5个IGBT的NTC测得各个不同电流时的温升数据，图6~图8给出了在整流电流365A和逆变电流600A采集到的波形和IGBT的Vce波形图，测试的IGBT的NTC温升数据和水冷系统的进出口水温数据如表1所示。

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图8  IGBT的Vce波形

从附表可看出，IGBT模块在整流电流365A和逆变电流600A时的温升数据，最高温升为15K，温升数值远远小于IGBT的温升标准，可持续长时间正常运行。实际温升和软件仿真的数据相差3.1K，误差不大；进出口水温差也远小于10K；仿真温升数值与测试温升数值的差距在3K左右，主要原因有：①仿真过程中的简化，将IGBT和二极管简化为面热源，未考虑热阻；②电气器件发热量与实际发热量有一定的偏差（计算值偏高）；③测试过程中试验仪器引起的误差、测试数据的记录误差等。

6  结论

通过对单元进行理论计算、和相关的试制样机、单元后期测试，可得出水冷功率单元满足使用要求。后期，将会对功率单元继续进行功率单元过载能力测试（1.2倍、1.5倍、2倍额定电流）、电磁兼容测试、负载试验（无功负载试验、有功负载试验、湿热试验等）等相关测试。

参考文献：

[1]GB/T 7354-2003 局部放电测量

[2]张英锋，等. 大功率风冷功率单元的设计与研发[J]. 变频器世界.2018(6).

作者简介：

张盼盼（1993-）  山西吕梁人   大学本科  中信重工机械股份有限公司 工程师 研究方向：电力电子技术及高压变频器硬件开发。

通讯作者：张英锋（1989.4-），男，硕士，中信重工机械股份有限公司，工程师，研究方向：电力电子技术及其高低压变频器、水冷变频器等结构开发。