艦船高效逆變電源技術方案研究

阮進+吳浩偉

艦船綜合電力系統是一種新型動力系統，而逆變電源是未來艦船綜合電力系統的關鍵技術裝備。本文闡述了影響逆變電源效率的主要因素和提升方式，研究了逆變電源設計中開關器件和逆變拓撲結構的技術方案，探討了復合母排和低損耗磁芯材料的運用，最后對低損耗艦船逆變電源研制實現提出了工程設計建議。

【關鍵詞】逆變電源 高效率 三電平

隨著英國45型戰艦和美國海軍DDG1000戰艦相繼下水、服役，標志著世界軍用艦船動力系統進入綜合電力系統的全新時代。逆變電源作為主要的電能變換設備，是未來艦船綜合電力系統里的關鍵技術裝備。

逆變電源效率的提升意味著設備的體積可以更小、重量更輕、功率密度更高。更為重要的是，對于作為艦船電力系統中主供電電源的逆變電源設備而言，逆變電源效率的提高不僅減小了自身的熱負荷，并且也大大減輕了全船空調及其他輔助系統的負荷，使得全船能量利用效率進一步提高。現代艦船綜合電力系統中逆變電源容量往往高達MW級，逆變電源效率每提升一個點，相當于一方面減少了10kW以上的功率損耗，一方面減少10kW以上的空調熱負荷，能有效的提升船舶的燃油經濟性。

目前艦船逆變電源的變換效率已達到90%以上的高水平，要想進一步提高變換效率，需要在開關器件選型、逆變拓撲結構、功率母線、濾波電抗器和變壓器磁性材料選擇等各個環節全面設計優化，以進一步降低設備損耗，提高整機效率。

1 逆變拓撲設計優化

上世紀八十年代由日本學者提出了一種新穎的三電平逆變電路拓撲，通過集成更多的開關器件，產生更多的電平狀態，從而達到更高的等效開關速度。

相對于傳統兩電平三相橋式逆變電源，三電平逆變電源具有一系列優點：

（1）單管只需承受一半的直流電壓，可以采用低耐壓等級、低損耗的IGBT運用在高壓場合；

（2）單管只需要開通或者關斷一半的直流電壓，開關損耗更小；

（3）輸出電壓波形更接近于正弦，諧波含量小，所需濾波電感量小，有利于降低系統成本和功率損耗。三電平逆變電源非常適用于高直流電壓、大功率的艦船電力系統。

為進一步提升三電平變換電路工作效率，可以讓每個橋臂中間兩個IGBT工作在電網周期頻率，最上方和最下方的兩個IGBT工作在高開關頻率。另外，三電平逆變電路還可以采用多種不同特性IGBT組成混合器件結構。根據開關特點不同，每個橋臂上方和下方的兩個開關器件選擇低開關損耗的高速NPT型IGBT，每個橋臂中間的兩個開關器件選擇低通態損耗的Trench型IGBT，利用不同類型IGBT器件的開關特點，充分發揮器件優勢，提升變換效率。

三電平電路雖然具有一系列優點，但也存在著通態損耗兩倍于傳統兩電平三相橋的缺點。為了解決這一問題文獻[3，4]提出了改進型NPC三電平逆變電路的解決方案，通過集成具有反向阻止能力的特殊規格IGBT，推出了實用化的改進型三電平IGBT模塊。其主要改進在于將NPC型三電平電路中間的開關管和箝位二極管用兩個具有反向阻止能力的特殊IGBT并聯代替，通過控制此類反向阻止IGBT的導通以保證電流續流。

通過這樣的改進后，每個開關管在開關過程中只有1/2直流電壓的電壓變換，因此其開關損耗大約只有兩電平的一半；此外，任何時候電流僅流經一個半導體器件，其通態損耗相對于二極管箝位型三電平逆變電源而言進一步降低。

2 半導體開關器件擇優

在逆變電源的設計中，IGBT是最常見的開關器件。因為IGBT導通壓降的非線性特性使得其導通壓降并不會隨著電流的增加而顯著增加，從而保證了逆變電源在大負載情況下，仍然可以保持較低的損耗和較高的效率。除IGB外，另一類電力電子開關器件是具有線性導通壓降特性的MOSFET。MOSFET器件在小負載情況下具有更低的導通壓降，并且可以通過多個并聯以進一步降低。此外，考慮到MOSFET自身較低開關損耗和優秀高頻工作能力，在小功率的應用場合中，利用MOSFET多管并聯代替IGBT以降低導通損耗和開關損耗，是提高效率的有效途徑。

近年來隨著寬禁帶SiC、GaN器件的不斷發展，基于SiC基底的MOSFET器件導通損耗大幅低于現有器件。此外，SiC器件還具有高開關速度、低開關損耗、高阻斷電壓等一系列優點，除價格暫且價高、電流較小的限制外，幾乎可以成為常規開關器件的最佳選擇。由圖1的對比可以看到，SiC器件的導通損耗要明顯優于當前的常規MOSFET產品。可以預見，隨著SiC開關器件的不斷成熟和容量的不斷擴大，將有力的推動逆變電源向著更高的效率發展。

開關器件是逆變電源中功率損耗的主要器件，因此逆變電源的設計之初就是覺得開關器件的選型。在SiC器件尚未大規模進入規模化應用的當前，對于大功率逆變電源場合首先是IGBT，而小功率器件一般則選用MOSFET更為理想。

3 功率電路連接優化

元器件之間的連接銅排雖然不是設備內主要的發熱器件，但先進的電路連接方式對于設備整體的效率也有較大的影響。

對于大型電力電子設備而言，直流儲能電容器和IGBT器件之間的母線上總會存在雜散的分布電感參數。在IGBT關斷的瞬間，分布電感電感的兩端會感應出很大的瞬態尖峰電壓，電壓的大小與分布電感呈正比。

雜散分布電感數量雖然較小，但由于現代IGBT器件的開關速度很快，開關過程的電流變化率較大，也會造成很大關斷尖峰電壓。因此，功率器件連接環節存在的分布電感，不僅會增大開關器件的動態損耗，還會造成極高的關斷電壓尖峰，增大了開關器件過壓擊穿的風險。

電力電子設備的功率單元設計上必須盡量減小連接銅排的長度和環路面積，以減小等效形成的分布電感參數。針對這一設計要求，最有效的解決措施就是采用疊層式復合母線，即復合母排技術。

采用復合母排連接方式后，從直流電容到開關器件總的分布電感量也可以控制在100nH以內。假設IGBT關斷速度為250ns，關斷電流為200A，100nH雜散電感引起關斷電壓尖峰僅為80V，完全可以在DC450V直流母線下采用600V的IGBT，相對于采用1200V器件，其整機的變換損耗可明顯減少。

4 鐵磁材料的設計優化

逆變電源濾波內最主要電磁元器件是電抗器和變壓器，這也是逆變電源中除開關器件之外產生熱損耗最大的部件。

電磁元器件的損耗分為銅耗和鐵耗。銅耗可以通過在設計上加大線徑等方法加以降低，而鐵耗則與選擇的磁芯材料緊密相關。目前電氣工程領域常用的磁性材料主要有硅鋼片、微晶合金、非晶合金、鐵氧體磁材等，這些材料的性能參數見表1。

由于磁性材料的特性差異顯著，不同場合有不同的應用特點，因而在濾波電感和變壓器的設計上需要著重考慮。硅鋼具有很高的居里溫度和飽和磁感應強度，是最常見的變壓器磁芯材料，但主要缺點是高頻渦流損耗大、鐵耗高，因而常運用于低頻、大功率的場合。

由金屬離子氧化物組成的鐵氧體材料，具有相當高的電阻率，可有效抑制內部渦流，高頻損耗很小，是高頻變換領域的優良材料。鐵氧體的缺點在于熱穩定差，機械強度低，易于破碎，并且飽和磁感應強度小，一般用在小功率電源設備。

非晶合金材料是利用急冷技術將液態金屬直接冷卻形成的固體薄帶。這種合金具有高硬度、高電阻率、耐蝕性等眾多優異的特性，具有較高的飽和磁感應強度，是一種可替代硅鋼的優良磁性材料。非晶合金材料主要不足在于，磁致伸縮系數較大，用其制造變壓器、電抗器等器件的噪聲大約為硅鋼材料的120%。因此對于艙內布置的艦船逆變電源而言，其工作噪聲較大，影響艙室的居住性。

微晶合金，也叫納米晶合金，是含有銅和鈮元素的鐵基非晶合金通過退火處理而形成，晶粒尺寸通常在10nm左右。微晶合金具有初始磁導率高、飽和磁感應強度高、高頻損耗低、矯頑力低的優異特點。用微晶合金作為鐵芯的變壓器，其效率能夠達到99%以上。

從以上對比可見，微晶合金磁性材料集鐵氧體、硅鋼等材料的眾多優點于一體，具備良好的綜合磁性能，是艦船逆變電源中電磁部件的優選材料。只是由于當前鐵基微晶合金的成本較貴，因此在對成本較為敏感的應用場合受到一定限制，但總體而言，是一種極具應用發展前景的磁性材料。

5 結論

逆變電源作為艦船綜合電力系統中最重要的部件之一，電能變換效率不僅是評價逆變電源的關鍵性指標，也涉及到艦船綜合電力系統的整體能效重要技術指標。針對艦船逆變電源對變換效率要求的持續提高，本文從半導體開關器件選型、電力變換拓撲結構設計、功率部件連接方式和磁性材料優化四個方面，提出了面向工程實用的設計方法和相關建議，對艦船逆變電源和大功率電力電子裝置的合理優化設計，具有一定的指導意義。

參考文獻

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作者單位

1.海裝裝備采購中心 北京市 100190

2.中船重工第七一九研究所 湖北省武漢市 430064