SST固态变压器系列3：多模块级联整流及高压直流母线详细设计方案

原创 磁性元器达人 磁性元器达人 磁性元件达人 2026年1月20日 07:11 广东 

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30kV三相电网 → 多模块级联整流 → 高压直流母线详细设计方案
一、系统总体架构
1.1 系统参数
输入：
- 三相电网电压：30kV（线电压有效值），50/60Hz
- 电网频率：50Hz（设计考虑）
- 系统总功率：500kW
- 功率因数要求：>0.95（满载）
- THDi要求：<5%（满载）
输出：
- 高压直流母线电压：40.5kV（计算值）
- 电压纹波：<2%
- 动态响应：<10ms
1.2 拓扑选择：级联H桥（CHB）整流器
拓扑优点：
1. 模块化设计，易于维护和扩展
2. 输入电流谐波小，THDi低
3. 功率因数可调至1
4. 单个模块电压应力低
5. 无需输入变压器（直接高压连接）

系统结构：
30kV三相电网 → 滤波电感 → N个CHB模块级联 → 直流母线电容 → 40.5kV直流输出
二、模块化设计计算

2.1 模块数量确定
考虑功率半导体器件的电压等级，选择1700V IGBT模块：
· 单个IGBT耐压：1700V
· 实际工作电压：<1000V（留有裕量）
· 每个H桥模块直流侧电压：V_dc_module = 900V（设计值）

所需模块数量：
N=V_{dc_total}/{V_{dc_module}}= 40500/900= 45 个模块
每相模块数：N_{ph} = 45 / 3 = 15个模块/相

2.2 重新优化（降低成本）
考虑使用3300V IGBT模块，提高单个模块电压：
· 单个模块直流电压：V_dc_module = 1800V
· 模块数量：N = 40500 / 1800 = 22.5，取24个（对称）
· 每相模块数：8个模块/相
最终选择：24个模块，每相8个串联

2.3 每个模块参数
.每个模块设计值：
- 直流输出电压：V_dc_module = 40500/24 ≈ 1687.5V
- 模块功率：P_module = 500kW/24 ≈ 20.83kW
- 交流输入电压（单相）：V_ac_module ≈ 1687.5/1.414 ≈ 1193V（峰值对应）
- 实际工作电压：按有效值计算，考虑调制
三、主电路详细设计

3.1 单模块电路设计
每个H桥模块包含：
1. 输入LC滤波器：L_in, C_in
2. 单相全桥：4个IGBT（带反并联二极管）
3. 直流侧电容：C_dc
4. 均压电阻：R_balance
5. 驱动与保护电路
3.2 IGBT选型计算

3.2.1 电流计算
每个模块功率：P_module = 20.83kW
直流侧电压：V_dc = 1687.5V
直流侧电流：
I_{dc}=P_{module}/{V_{dc}}=20830/1687.5= 12.34{A}
交流侧电流（假设效率η=0.98，功率因数PF=0.99）：
I_{ac}=P_{module}/{ηPFXV_{ac}} =20830/{0.98X 0.99X1193}=18.02 {A}

3.2.2 IGBT选型
考虑2倍过流能力和开关频率：
· 额定电流：I_rated ≥ 18.02 × 2 = 36.04A
· 耐压：V_ces ≥ 1700V（但选择3300V以匹配模块电压）
选择Infineon FZ1200R33HE3

（3300V/1200A）或类似模块

· 实际电流远大于需求，但考虑模块化设计的统一性
3.3 直流侧电容设计
3.3.1 电容容值计算
每个模块的电容需要抑制二倍频纹波：
C_{dc} = {P_{module}}/{2ω ΔV V_{dc}}
其中：
· ω = 2π×100 = 628.3 rad/s（二倍频）
· ΔV = 1687.5 × 0.02 = 33.75V（2%纹波）
C_{dc} =20830/{2×628.3×33.75×1687.5}= 291 uF

3.3.2 实际选择
选择薄膜电容：

· 容值：330μF
· 耐压：2000V DC
· 型号：例如B25620B5337K000（EPCOS）
3.4 输入滤波器设计
3.4.1 滤波电感设计
目标：电流纹波<20%
开关频率：f_sw = 3kHz（考虑高压IGBT开关特性）

电感计算公式：
L = V_{dc}/{8f_{sw}Δ I}
其中：
· V_dc = 1687.5V
· ΔI = 18.02 × 0.2 = 3.604A（20%纹波）
L={1687.5}/{8×3000×3.604}=1687.5/86496=0.0195H= 19.5mH

3.4.2 滤波电容设计
用于滤除开关频率谐波，选择容值使谐振频率在1/10开关频率：
f_{res} = 1/{2π√{LC}} = f_{sw/10= 300 Hz
C=1/{(2πf_{res})^2L}=1/{(2π× 300)^2×0.0195}=7.25 uF
选择：8μF/2000V薄膜电容
3.5 均压电路设计
由于模块串联，需要静态和动态均压：
1. 静态均压：每个模块直流侧并联均压电阻R_{balance}=V_{dc}/{0.1XI_{leakage}}=1687.5/{0.1×0.001}=16.875 MΩ
   实际选择：10MΩ/5W电阻
2. 动态均压：通过控制算法实现

四、控制系统设计
4.1 控制架构
分层控制结构：
1. 顶层控制器（主控DSP）：
   - 直流母线电压控制
   - 总功率控制
   - 电网同步（PLL）
   - 生成调制波

2. 中层控制器（FPGA）：
   - 载波移相PWM生成
   - 模块电压平衡控制
   - 故障保护逻辑

3. 底层控制器（每个模块的MCU）：
   - 本地PWM驱动
   - 模块状态监测
   - 保护执行
4.2 控制算法

4.2.1 电压外环-电流内环双闭环控制
电压外环：
  Vdc_ref → PI控制器 → Id_ref

电流内环：
  Id_ref → PI控制器 → d轴调制波
  Iq_ref=0 → PI控制器 → q轴调制波
  通过Park反变换得到三相调制波
4.2.2 载波移相PWM（CPS-PWM）
· 每个模块的载波相位错开：Δφ= /360°{N_{ph}} = 360/8= 45°
· 等效开关频率：f_{eq} = N_{ph} × f_{sw} = 8 × 3kHz = 24kHz

4.2.3 模块电压平衡控制

采用排序法平衡控制：

1. 测量所有模块直流电压
2. 根据电压高低排序
3. 电压高的模块增加有功输出，电压低的减少有功输出

4.3 锁相环（PLL）设计

采用基于同步坐标系的软件PLL：

· 带宽：10Hz
· 动态响应：<20ms
· 精度：<0.5°

五、保护系统设计
5.1 保护功能列表
1. 过压保护：
   · 模块直流过压：>1900V触发
   · 电网过压：>30kV×1.15 = 34.5kV触发
2. 过流保护：
   · 瞬时过流：>2倍额定，立即关断
   · 过载保护：1.2倍额定，60s后降额
3. 不平衡保护：
   · 模块电压不平衡：>10%报警，>20%跳闸
   · 电网电压不平衡：>5%报警
4. 温度保护：
   · IGBT结温：>125°C降额，>150°C保护
   · 散热器温度：>85°C报警
5. 短路保护：
   · 直流侧短路：<10μs响应
   · 交流侧短路：<20ms响应

5.2 保护硬件实现

1. 电压检测：
   · 直流电压：高压差分隔离放大器（ISO124）
   · 交流电压：电阻分压+隔离运放
2. 电流检测：
   · 霍尔电流传感器（LEM系列）
   · 带宽：>100kHz
3. 温度检测：
   · IGBT内置NTC
   · 散热器热电偶
4. 驱动保护：
   · 有源钳位
   · 软关断
   · 短路退饱和检测（DESAT）

六、散热系统设计
6.1 损耗计算
6.1.1 IGBT损耗
每个模块有4个IGBT，总损耗：
1. 导通损耗：
P_{cond}=4×V_{ce0}I_{avg}+ R_{ce}XI_{rms}^2 
   FZ1200R33HE3参数：V_ce0=1.2V，R_ce=3.5mΩ
 P_{cond}=4× (1.2×9.01 + 0.0035×18.02^2) = 4 × (10.812 + 1.136) ≈ 47.79 W
2. 开关损耗：
   开关频率3kHz，每次开关损耗约50mJ（查数据表）
   P_{sw} = 4 × f_{sw} × E_{sw} = 4 × 3000 × 0.05 = 600 W
   这显然太高，需要重新估算。实际高压IGBT开关频率较低，开关损耗也会减小。

更准确估算（基于经验公式）：

· 总损耗约占功率的1.5%：P_{loss_IGBT} = 20830 × 0.015 = 312.45 W

6.1.2 其他损耗
· 二极管损耗：约50W
· 电容损耗：约20W
· 驱动损耗：约10W
· 总损耗：约400W/模块

6.2 散热设计

每个模块总损耗：400W
散热方式：强制风冷

散热器选择：
· 热阻要求：R_{th} = {T_j - T_a}/{P_{loss}} = 125-40}/{400} = 0.2125K/W
· 选择热管散热器，加装风扇
风扇选择：
· 风量Q=P_{loss}/{ρXc_pXΔT} 

= 400/{1.2×1005×15} ≈ 0.022 m³/s=79.2 m³/h
· 选择12038风扇，风量>100m³/h

七、机械与结构设计
7.1 模块布局
机柜设计：6U标准机柜（266.7mm高）
每个机柜放置：4个模块
总机柜数：24/4 = 6个机柜

机柜内部布局：
上层：功率模块（含散热器）
中层：控制板、驱动板
下层：输入输出端子、滤波器
背部：风扇模块
7.2 绝缘设计
高压绝缘要求（30kV系统）：
1. 电气间隙：
   · 相间：≥200mm
   · 对地：≥150mm
   · 模块间：≥50mm
2. 爬电距离：
   · 污染等级III：≥25mm/kV
   · 30kV系统：≥750mm
   · 通过增加挡墙、沟槽实现
3. 绝缘材料：
   · 聚四氟乙烯（PTFE）支撑件
   · 硅橡胶绝缘套管
   · 环氧树脂灌封

7.3 连接设计
1. 交流输入：高压电缆连接，每相8个模块串联
2. 直流输出：模块直流侧串联，最后并联到母线电容
3. 通信：光纤通信，抗干扰

八、成本估算

8.1 主要元器件成本
项目 单价（元） 数量 小计（元）
IGBT模块（3300V/1200A） 2,500 96（24×4） 240,000
直流电容（330μF/2000V） 300 24 7,200
滤波电感（19.5mH） 800 24 19,200
控制板（主控） 5,000 1 5,000
驱动板 500 24 12,000
散热器+风扇 600 24 14,400
机柜 3,000 6 18,000
其他（连接件、线缆等） - - 30,000
合计   345,800

8.2 人工与其它费用

· 设计开发费：100,000元
· 测试认证费：50,000元
· 生产装配费：80,000元
· 总成本：约575,800元

九、性能指标

9.1 电气性能
输入特性：
- 电压范围：30kV ±10%
- 频率范围：50Hz ±5%
- 功率因数：>0.95（满载）
- THDi：<5%（满载）
- 效率：>97%（满载）

输出特性：
- 直流电压：40.5kV ±2%
- 电压纹波：<2%
- 动态响应：<10ms（负载阶跃）
- 稳压精度：<1%

保护特性：
- 过压保护响应：<100μs
- 过流保护响应：<10μs
- 故障恢复时间：<1s

9.2 可靠性指标
 MTBF：>100,000小时
· 防护等级：IP20（室内）
· 工作温度：0-40°C
· 存储温度：-20-70°C
· 湿度：<95% RH（无凝露）

十、测试与验证

10.1 测试项目
1. 功能测试：
   · 启动/停机测试
   · 稳态性能测试
   · 动态响应测试
2. 保护测试：
   · 过压/欠压保护
   · 过流/短路保护
   · 温度保护
3. EMC测试：
   · 传导发射
   · 辐射发射
   · 抗扰度测试
4. 可靠性测试：
   · 温升测试
   · 高温老化
   · 振动测试

10.2 测试设备

· 高压电源：30kV/20A三相可编程电源
· 负载：500kW电阻负载
· 示波器：高压差分探头
· 功率分析仪：精度0.1%

十一、关键设计要点总结

1. 模块化设计：24个模块级联，每相8个，提高可靠性和可维护性
2. 器件选型：3300V IGBT，留有充足电压裕量
3. 控制策略：载波移相PWM + 模块电压平衡控制
4. 保护系统：多层次保护，确保安全可靠
5. 散热设计：强制风冷，保证器件温度在安全范围内
6. 绝缘设计：满足30kV系统的高压绝缘要求
7. 成本控制：模块化设计降低单个模块成本

此设计方案实现了30kV三相输入到40.5kV直流的高效、可靠转换，为后续的DAB模块提供了稳定的高压直流母线。设计考虑了实际工程应用中的各种因素，包括成本、可靠性、维护性等。

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