舰船高效逆变电源技术方案研究

阮进+吴浩伟

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進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；

（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，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IGBT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要的发热器件，但先进的电路连接方式对于设备整体的效率也有较大的影响。

对于大型电力电子设备而言，直流储能电容器和IGBT器件之间的母线上总会存在杂散的分布电感参数。在IGBT关断的瞬间，分布电感电感的两端会感应出很大的瞬态尖峰电压，电压的大小与分布电感呈正比。

杂散分布电感数量虽然较小，但由于现代IGBT器件的开关速度很快，开关过程的电流变化率较大，也会造成很大关断尖峰电压。因此，功率器件连接环节存在的分布电感，不仅会增大开关器件的动态损耗，还会造成极高的关断电压尖峰，增大了开关器件过压击穿的风险。

电力电子设备的功率单元设计上必须尽量减小连接铜排的长度和环路面积，以减小等效形成的分布电感参数。针对这一设计要求，最有效的解决措施就是采用叠层式复合母线，即复合母排技术。

采用复合母排连接方式后，从直流电容到开关器件总的分布电感量也可以控制在100nH以内。假设IGBT关断速度为250ns，关断电流为200A，100nH杂散电感引起关断电压尖峰仅为80V，完全可以在DC450V直流母线下采用600V的IGBT，相对于采用1200V器件，其整机的变换损耗可明显减少。

4 铁磁材料的设计优化

逆变电源滤波内最主要电磁元器件是电抗器和变压器，这也是逆变电源中除开关器件之外产生热损耗最大的部件。

电磁元器件的损耗分为铜耗和铁耗。铜耗可以通过在设计上加大线径等方法加以降低，而铁耗则与选择的磁芯材料紧密相关。目前电气工程领域常用的磁性材料主要有硅鋼片、微晶合金、非晶合金、铁氧体磁材等，这些材料的性能参数见表1。

由于磁性材料的特性差异显著，不同场合有不同的应用特点，因而在滤波电感和变压器的设计上需要着重考虑。硅钢具有很高的居里温度和饱和磁感应强度，是最常见的变压器磁芯材料，但主要缺点是高频涡流损耗大、铁耗高，因而常运用于低频、大功率的场合。

由金属离子氧化物组成的铁氧体材料，具有相当高的电阻率，可有效抑制内部涡流，高频损耗很小，是高频变换领域的优良材料。铁氧体的缺点在于热稳定差，机械强度低，易于破碎，并且饱和磁感应强度小，一般用在小功率电源设备。

非晶合金材料是利用急冷技术将液态金属直接冷却形成的固体薄带。这种合金具有高硬度、高电阻率、耐蚀性等众多优异的特性，具有较高的饱和磁感应强度，是一种可替代硅钢的优良磁性材料。非晶合金材料主要不足在于，磁致伸缩系数较大，用其制造变压器、电抗器等器件的噪声大约为硅钢材料的120%。因此对于舱内布置的舰船逆变电源而言，其工作噪声较大，影响舱室的居住性。

微晶合金，也叫纳米晶合金，是含有铜和铌元素的铁基非晶合金通过退火处理而形成，晶粒尺寸通常在10nm左右。微晶合金具有初始磁导率高、饱和磁感应强度高、高频损耗低、矫顽力低的优异特点。用微晶合金作为铁芯的变压器，其效率能够达到99%以上。

从以上对比可见，微晶合金磁性材料集铁氧体、硅钢等材料的众多优点于一体，具备良好的综合磁性能，是舰船逆变电源中电磁部件的优选材料。只是由于当前铁基微晶合金的成本较贵，因此在对成本较为敏感的应用场合受到一定限制，但总体而言，是一种极具应用发展前景的磁性材料。

5 结论

逆变电源作为舰船综合电力系统中最重要的部件之一，电能变换效率不仅是评价逆变电源的关键性指标，也涉及到舰船综合电力系统的整体能效重要技术指标。针对舰船逆变电源对变换效率要求的持续提高，本文从半导体开关器件选型、电力变换拓扑结构设计、功率部件连接方式和磁性材料优化四个方面，提出了面向工程实用的设计方法和相关建议，对舰船逆变电源和大功率电力电子装置的合理优化设计，具有一定的指导意义。

参考文献

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[6]钱金川，于建兵，朱守敏.微晶合金磁芯材料在逆变电源中的应用[J].电工电气，2009（07）：59-62.

作者单位

1.海装装备采购中心 北京市 100190

2.中船重工第七一九研究所 湖北省武汉市 430064