舰船高效逆变电源技术方案研究

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1、舰船高效逆变电源技术方案研究　　舰船综合电力系统是一种新型动力系统，而逆变电源是未来舰船综合电力系统的关键技术装备。本文阐述了影响逆变电源效率的主要因素和提升方式，研究了逆变电源设计中开关器件和逆变拓扑结构的技术方案，探讨了复合母排和低损耗磁芯材料的运用，最后对低损耗舰船逆变电源研制实现提出了工程设计建议。　　【关键词】逆变电源高效率三电平　　随着英国45型战舰和美国海军DDG1000战舰相继下水、服役，标志着世界军用舰船动力系统?M入综合电力系统的全新时代。逆变电源作为主要的电能变换设备，是未来舰

2、船综合电力系统里的关键技术装备。　　逆变电源效率的提升意味着设备的体积可以更小、重量更轻、功率密度更高。更为重要的是，对于作为舰船电力系统中主供电电源的逆变电源设备而言，逆变电源效率的提高不仅减小了自身的热负荷，并且也大大减轻了全船空调及其他辅助系统的负荷，使得全船能量利用效率进一步提高。现代舰船综合电力系统中逆变电源容量往往高达MW级，逆变电源效率每提升一个点，相当于一方面减少了10kW以上的功率损耗，一方面减少10kW以上的空调热负荷，能有效的提升船舶的燃油经济性。　　目前舰船逆变电源的变换效率

3、已达到90%以上的高水平，要想进一步提高变换效率，需要在开关器件选型、逆变拓扑结构、功率母线、滤波电抗器和变压器磁性材料选择等各个环节全面设计优化，以进一步降低设备损耗，提高整机效率。　　1逆变拓扑设计优化　　上世纪八十年代由日本学者提出了一种新颖的三电平逆变电路拓扑，通过集成更多的开关器件，产生更多的电平状态，从而达到更高的等效开关速度。　　相对于传统两电平三相桥式逆变电源，三电平逆变电源具有一系列优点：　　（1）单管只需承受一半的直流电压，可以采用低耐压等级、低损耗的IGBT运用在高压场合；　　

4、（2）单管只需要开通或者关断一半的直流电压，开关损耗更小；　　（3）输出电压波形更接近于正弦，谐波含量小，所需滤波电感量小，有利于降低系统成本和功率损耗。三电平逆变电源非常适用于高直流电压、大功率的舰船电力系统。　　为进一步提升三电平变换电路工作效率，可以让每个桥臂中间两个IGBT工作在电网周期频率，最上方和最下方的两个IGBT工作在高开关频率。另外，三电平逆变电路还可以采用多种不同特性IGBT组成混合器件结构。根据开关特点不同，每个桥臂上方和下方的两个开关器件选择低开关损耗的高速NPT型IGBT，

5、每个桥臂中间的两个开关器件选择低通态损耗的Trench型IGBT，利用不同类型IGBT器件的开关特点，充分发挥器件优势，提升变换效率。　　三电平电路虽然具有一系列优点，但也存在着通态损耗两倍于传统两电平三相桥的缺点。为了解决这一问题文献[3，4]提出了改进型NPC三电平逆变电路的解决方案，通过集成具有反向阻止能力的特殊规格IGBT，推出了实用化的改进型三电平IGBT模块。其主要改进在于将NPC型三电平电路中间的开关管和箝位二极管用两个具有反向阻止能力的特殊IGBT并联代替，通过控制此类反向阻止IGB

6、T的导通以保证电流续流。　　通过这样的改进后，每个开关管在开关过程中只有1/2直流电压的电压变换，因此其开关损耗大约只有两电平的一半；此外，任何时候电流仅流经一个半导体器件，其通态损耗相对于二极管箝位型三电平逆变电源而言进一步降低。　　2半导体开关器件择优　　在逆变电源的设计中，IGBT是最常见的开关器件。因为IGBT导通压降的非线性特性使得其导通压降并不会随着电流的增加而显著增加，从而保证了逆变电源在大负载情况下，仍然可以保持较低的损耗和较高的效率。除IGB外，另一类电力电子开关器件是具有线性导通

7、压降特性的MOSFET。MOSFET器件在小负载情况下具有更低的导通压降，并且可以通过多个并联以进一步降低。此外，考虑到MOSFET自身较低开关损耗和优秀高频工作能力，在小功率的应用场合中，利用MOSFET多管并联代替IGBT以降低导通损耗和开关损耗，是提高效率的有效途径。　　近年来随着宽禁带SiC、GaN器件的不断发展，基于SiC基底的MOSFET器件导通损耗大幅低于现有器件。此外，SiC器件还具有高开关速度、低开关损耗、高阻断电压等一系列优点，除价格暂且价高、电流较小的限制外，几乎可以成为常规开

8、关器件的最佳选择。由图1的对比可以看到，SiC器件的导通损耗要明显优于当前的常规MOSFET产品。可以预见，随着SiC开关器件的不断成熟和容量的不断扩大，将有力的推动逆变电源向着更高的效率发展。　　开关器件是逆变电源中功率损耗的主要器件，因此逆变电源的设计之初就是觉得开关器件的选型。在SiC器件尚未大规模进入规模化应用的当前，对于大功率逆变电源场合首先是IGBT，而小功率器件一般则选用MOSFET更为理想。　　3功率电路连接优化　　元器件之间的连接铜排虽然不是设备内主