1 引言

很多大功率系統(tǒng)(高達(dá)200kw)的設(shè)計(jì)者，特別是處于迅速發(fā)展中的行業(yè)的設(shè)計(jì)者，如風(fēng)力發(fā)電、分布式電源發(fā)電，經(jīng)常扮演的是系統(tǒng)集成者的角色，在一些情況下他們對功率電子電路的詳細(xì)知識不感興趣。硅片技術(shù)發(fā)展的速度使得它必須能夠與所有其它的接口元件相匹配，如散熱器、驅(qū)動(dòng)電路、電容、緩沖電路以及母排。這些設(shè)計(jì)者需要可靠的系統(tǒng)組件以滿足他們的系統(tǒng)對功率部分的要求，他們也需要最好是通過模塊化方式提供多種多樣的解決方案。模塊化的功率系統(tǒng)還具有成本低、供貨周期短等優(yōu)點(diǎn)。

2 semikube^tm的特點(diǎn)

semikron采用模塊化技術(shù)開發(fā)的semikube^tm是一個(gè)在強(qiáng)制風(fēng)冷的條件下功率高達(dá)900kw的，用于逆變器/轉(zhuǎn)換器的組件。這種模塊化的方法減小了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，簡化了現(xiàn)場的安裝工作。它還降低了用于備件存儲所需的空間，因?yàn)橹恍枰獌渖倭康臉?biāo)準(zhǔn)化部件就可以滿足不同配置的要求。這種新型的產(chǎn)品平臺可以提供電流從320a到1550a的大功率系統(tǒng)。在大功率系統(tǒng)的配置中，每個(gè)模塊都分配有一個(gè)系統(tǒng)風(fēng)扇，這樣通過為系統(tǒng)中的每一個(gè)功率模塊提供一路環(huán)境溫度的風(fēng)路從而消除了熱量的聚集。這種方法能夠達(dá)到的功率密度以前只有水冷系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

一個(gè)semikube^tm通常由一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)立方體型的功率模塊構(gòu)成，而每個(gè)立方體型的功率模塊又包含二、三或四個(gè)組件。每個(gè)組件(見圖1)則由直接安裝在特殊設(shè)計(jì)的散熱良好的散熱器上的二極管、晶閘管或兩個(gè)半橋igbt模塊構(gòu)成。立方體功率模塊集成有自己的電容組，這種等級的模塊采用單獨(dú)風(fēng)冷以減小體積并提高可靠性。通過使用不同的組件就可以組成不同電流等級的系統(tǒng)。模塊的使用功率范圍見表1。

圖1 semikube^tm系列

基于semikron公司的skyper^tm 32 pro驅(qū)動(dòng)核的，優(yōu)化的驅(qū)動(dòng)電路被集成到了每一個(gè)立方體功率模塊中(見圖2)。該驅(qū)動(dòng)電路保留了skyper^tm 32 pro所有的功能，如軟關(guān)斷，vce監(jiān)測，外部故障輸入等。每個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)電路單獨(dú)工作，但其用戶接口是通用的，通向semikube^tm單元的外部。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電路受用戶控制器的控制并提供所有的必須的保護(hù)和監(jiān)測功能包括電氣隔離、超低壓安全用戶接口、溫度監(jiān)測、短路保護(hù)、電流和直流電壓標(biāo)定以及電流均流。此外，為了維護(hù)方便，功率模塊單元上還有一組led燈來對驅(qū)動(dòng)電路監(jiān)測到的最后一次故障進(jìn)行記錄。這對于診斷逆變器停機(jī)的原因是非常有幫助的。

圖2 集成在每個(gè)立方體模塊中的skyper^tm 32 pro驅(qū)動(dòng)核

每個(gè)組件都集成了高速霍爾電流傳感器。模塊之間的均流監(jiān)測就是通過對多個(gè)電流傳感器的信號進(jìn)行檢測并比較而是實(shí)現(xiàn)的。任何過流或不均流情況都將導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電路中斷門極驅(qū)動(dòng)信號，從而為系統(tǒng)提供強(qiáng)大的保護(hù)功能。而這種設(shè)計(jì)也為系統(tǒng)針對過流提供以下三重保護(hù)(見圖3):

圖3 semikube 1，2，3的內(nèi)視圖

通過檢測vcesat電壓而實(shí)現(xiàn)的快速的短路保護(hù);

通過檢測電流而實(shí)現(xiàn)的較慢速的短路保護(hù);

通過電流均流監(jiān)測而實(shí)現(xiàn)的內(nèi)部短路保護(hù)。

這樣高水平的保護(hù)可以確保系統(tǒng)安全可靠的工作。

組件是模塊間通過母排的連接而構(gòu)成的系統(tǒng)。在不同的直流端子之間擰幾個(gè)螺釘就可以實(shí)現(xiàn)各個(gè)組件之間可靠的低感連接。semikube^tm的功率連接系統(tǒng)(受專利保護(hù))容易拆卸，并通過將直流母排進(jìn)行合理的連接，可以減小雜散電感從而減小電流的振蕩。這便提高了電容的壽命。此外，通過彈簧連接可以減小熱膨脹的影響，確保連接的長期可靠性。這種配置便可進(jìn)行快速、靈活的安裝，而且可以從任意一邊對子組件單元進(jìn)行連接，因此在標(biāo)準(zhǔn)的功率范圍內(nèi)可以滿足任意機(jī)械和電氣連接的要求(見圖4)。

圖4 semikube^tm的水平排列情況

大功率semikube^tm系統(tǒng)有時(shí)需多達(dá)8個(gè)半橋igbt模塊進(jìn)行并聯(lián)，只有在不降低性能的條件下的并聯(lián)設(shè)計(jì)才是有效的，因此我們開發(fā)了特殊的直流和交流母排。交流母排使用電氣對稱的鍍錫的銅板。每個(gè)模塊的交流端子到負(fù)載之間的連接具有相同的阻抗和雜散電感。經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的直流母排也具有很低的雜散電感，并且在不同的semikube^tm之間可以進(jìn)行互相連接。

額定電流在320a到390a的應(yīng)用只需要一個(gè)含了整流和逆變部分的立方體功率模塊。如果需要增大功率等級，可以用不同的方式來連接兩個(gè)立方體功率模塊:一是只使用一個(gè)系統(tǒng)風(fēng)扇，這樣可以節(jié)省空間，二是使用兩個(gè)系統(tǒng)風(fēng)扇，這樣使得達(dá)到更大的輸出電流。這兩種方案的輸出電流從520a到770a。同樣地，三個(gè)方塊功率模塊可以采取類似的方式，使用一個(gè)或三個(gè)系統(tǒng)風(fēng)扇，提供從830a到1550a的額定輸出電流。也可以采用下面這種方案:三個(gè)逆變功率模塊，外加第四個(gè)包含整流器和電容器組的模塊，這種配置使用兩個(gè)系統(tǒng)風(fēng)扇，從系統(tǒng)體積和輸出功率來說都可以達(dá)到世界最先進(jìn)的水平。事實(shí)上這種系統(tǒng)平臺允許任何數(shù)量的立方體功率模塊進(jìn)行組合，因此，它具有很好的多功能性、可量測性以及可配置性。

semikube^tm系統(tǒng)可以構(gòu)成非常緊湊的逆變器、變換器以及其它拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。小立方體功率模塊自身很小，而且用于內(nèi)部連接的靈巧設(shè)計(jì)的母排允許三個(gè)方塊功率模塊就近排列。無須定制的模塊以及產(chǎn)品平臺可以在很寬的功率范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

semikube^tm的設(shè)計(jì)理念和它的高度標(biāo)準(zhǔn)化的組件可以很容易的適應(yīng)多種拓樸結(jié)構(gòu)。甚至對于一些標(biāo)準(zhǔn)配置，在可能用到的空間排列上也是沒有限制的。四象限變頻器、單相變頻器、帶斬波器的整流器、聚丙烯電容或電解電容等，均可在這些組件中得到最優(yōu)的解決方案。

標(biāo)準(zhǔn)的變換器/逆變器semikube^tm模塊(見圖5)包括下面的器件:整流部分可以使用的拓樸結(jié)構(gòu)有:不可控整流(b6u)、半控整流(b6hk)和全控整流(b6c)。所使用的半導(dǎo)體器件是最新的絕緣電壓為3kvac的1600v的semipack^tm模塊，這種模塊堅(jiān)固耐用并且采用了散熱非常好的銅基板技術(shù)的。除了觸發(fā)模塊外，rc吸收電路也是標(biāo)準(zhǔn)組件并且線路熔斷器是可選的。輸入電壓為:380~500vac(-15%～10%)，45~66hz。最高的直流母線電壓為707v。

圖5 semikube^tm 1

作為標(biāo)準(zhǔn)配件的直流母線電容采用的是長壽命的電解電容，它具有可用螺釘進(jìn)行連接的端子，在選擇電容時(shí)已經(jīng)考慮到在不降低性能與壽命的情況下具有較高的性價(jià)比。電容的大小由逆變器的標(biāo)稱電流決定及所期望的工作壽命(lop超過60khrs)所決定的?？紤]到igbt關(guān)斷時(shí)在直流母線回路上會產(chǎn)生電壓過沖，直流電容的工作電壓都經(jīng)過了仔細(xì)的計(jì)算。電容器組被放置在了一個(gè)非常結(jié)實(shí)的框架的上半部，以便操作，同時(shí)對它進(jìn)行機(jī)械保護(hù)。包括電容器組的框架的上半部被固定到對應(yīng)的semikube^tm框架的有插槽固定點(diǎn)的下半部分。這樣在不改變?nèi)魏螜C(jī)械設(shè)計(jì)的情況下通過提升框架的上半部分就可以為大體積的電容提供空間。semikube^tm框架的下半部分被固定到了散熱器上。

semikube^tm所使用的散熱器具有非常好的導(dǎo)熱性能，但是這樣會形成了比較高的氣壓差，因此需要使用高壓離心式風(fēng)扇。風(fēng)扇使用230v，50/60hz的電源，其噪音不超過72dba。風(fēng)扇內(nèi)有熱電偶溫度保護(hù)器，并且這種風(fēng)扇具有免維護(hù)、長壽命等特性。離心式風(fēng)扇也可以按電容器組框架的尺寸進(jìn)行定制。

逆變器是三相的，并且采用了最新的1200v的軟穿通(spt)、高性價(jià)比的semitrans^tm半橋igbt模塊。軟穿通硅芯片器件在很寬的開關(guān)頻率范圍內(nèi)(高達(dá)20khz)都有很高的運(yùn)行效率，其典型的開關(guān)損耗約為21mj(@125℃/100a)。它的導(dǎo)通損耗也很低，飽和壓降的典型值約為2.0v @ 25℃。標(biāo)準(zhǔn)逆變模塊在開關(guān)頻率為3khz的工作情況下是非常好的，使得系統(tǒng)的效率達(dá)到了大約98%(包括導(dǎo)通損耗、開關(guān)損耗、風(fēng)扇損耗)。驅(qū)動(dòng)這些igbt所需要的門極電荷通常為1uc(vge:-8/+15v，100a)，這可由全新的skyper^tm 32門極驅(qū)動(dòng)電路來完成。

通過使用通用的二極管、晶閘管、igbt模塊、電容器、散熱器、風(fēng)扇、母排、電流傳感器，semikron可以保證較短的貨期，并且非常容易進(jìn)行維護(hù)。用于semikube^tm系統(tǒng)的所有元件都滿足溫度、濕度、電磁兼容性以及安全等方面的要求。semikube^tm的設(shè)計(jì)還也是符rohs認(rèn)證的。

3 結(jié)束語

使用semikube^tm的客戶可獲得如下優(yōu)點(diǎn):無須定制、可擴(kuò)展、全部經(jīng)過測試。在諸如電機(jī)驅(qū)動(dòng)、太陽能逆變器、風(fēng)力發(fā)電、ups以及燃料電池等領(lǐng)域。這些新的功率組件為設(shè)計(jì)者提供了范圍最廣的、無須定制的功率單元。由于這些模塊可以滿足使用量非常大的中等功率、不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，所以在價(jià)格上它也具有很大的競爭力。對用戶來說，不論功率大小，都只有一個(gè)單獨(dú)的用戶接口，唯一不同的就是不同功率等級的系統(tǒng)所需要的模塊數(shù)量不同。

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