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再谈大电流电力电子变流设备的均流问题
李 宏1 易晓坤2
西安石油大学电子工程学院，西安 710065 中广核研究院有限公司
摘要：本文在说明多个电力电子器件并联不均流的必然性基础上，借助理论阐明了均流测试的不准确性，证明绝对均流的不可能，指出所有的均流都是相对的；探讨了并联电力电子器件均流的常用工程方法，通过计算获得了采用增加回路阻抗的方法，起作用的主要是接触电阻，电阻片本身体电阻对均流效果的影响作用较弱，应用多个薄电阻片代替一个厚电阻片均流效果更好，最终给出了在多台电力电子变流设备中的使用效果。
关键词：大功率电力电子变流设备；均流；工程方法
Talk again about the current sharing issuse of
power electronic converter equipment
Li Hong1 He Bo2 Yi Xiaokun3
School of Electronic Engineering, Xi'an Shiyou University Xi'an 710065 China General Nuclear Research Institute Co., Ltd.
Abstract : This paper explains the inevitability of multiple power electronic devices in parallel with non-uniform flow, explains the inaccuracy of the current sharing test with theory, proves that the absolute current sharing is impossible, and points out that all the current sharing are relative. The common engineering methods for current sharing of electronic devices in parallel are discussed. The method of increasing the loop impedance is used to calculate the resistance. The main function is the contact resistance. The effect of the body resistance of the resistor on the current sharing effect is weak. The thin resistance plate instead of a thick resistor plate has a better current sharing effect, and finally gives the use effect in multiple power electronic converter devices.
Key Words: High-power power electronic converter equipment ;Current sharing; Engineering method
1.引言
电力电子器件以1955年 美国GE公司发明5A整流管为标志，经过63年的发展，虽然如今可供电力电子行业的工程师们使用的电力电子器件有近50多种，但其单只功率容量还未突破10kA/10kV的限制，现最大单只整流管容量为8kA/8kV,晶闸管也仅仅达到6.5kA/6kV，难以满足工程应用中对输出电流日益增大的需要，人们不得不采用多个器件并联组成一个变流臂，实现大电流输出变换之目的。这种应用按变流设备输出电流的大小不同，并联的电力电子器件有2～12只，随着并联数量的增加，保证运行时多个并联的电力电子器件中，每个流过的电流尽可能相同，是提高这类电力电子变流设备可靠性的关键，但因电力电子器件本身制造工艺引起的参数差异、安装及引线长度、周围磁场影响等诸多因素确实存在，实现多个并联电力电子器件的绝对均流是不可能的[1]。只能实现相对均流，如何解决不均流问题，成为大电流电力电子变流设备长期稳定工作的关键。电力电子变流设备中并联电力电子器件的不均流原因见参考文献1。本文在分析多个电力电子器件并联运行时，均流测试的不准确性基础上，简单介绍了电力电子变流设备中，多个并联电力电子器件的均流措施和方法。重点分析用电阻法调整均流系数的依据，剖析了相同串联电阻条件下，一个厚电阻片与多个薄电阻片均流效果的优劣，并给出了其应用效果。
2.常用并联支路电流的测试方法和均流测试的不准确性
电力电子器件本身结构和制造工艺决定了除MOSFET外，常用的晶闸管与整流管器件，通态压降与温度关系存在不确定性，大多数工作时随着管芯温度的升高，通态压降增加，但也有通态压降反而下降者，因而要实现绝对的均流是不可能的，从电力电子器件与外部供电电源连接的输入到输出母线，通常为铜或铝质材料，均呈现正温度系数，所以对支路电流的测试，常用在电力电子变流设备运行时，间接测试与电力电子器件串联的快速熔断器或分流器mV压降，也有测试同长度母线两端的mV压降、或在各并联支路中穿装小霍尔电流传感器来测试不同电流引起的霍尔电压变化几种方法，间接获得被测量支路电流的大小。
电力电子器件均流的概念是对运行电流很大，单个电力电子器件本身不能满足电流需要，不得不采用多个电力电子器件并联提出的。现阶段技术条件下，限于结构、仪器精度和抗干扰性等因素，决定了各并联电力电子器件，实际通过电流值测试存在不确定性，这些原因表现在：
由于有均流指标的电力电子变流设备，通常输出或输入电流都达几千甚至几万安培，实际流过每个电力电子器件的电流值为一千~几千安倍，所以肯定是用铜或铝母线连接的。决定了无法将其通过电流的测量仪表，直接串入每个电力电子器件的通流支路中直接测试电流值，行业内现在常用的测试方法有：
1)测试多个电力电子器件并联支路中，每个支路中相同长度母线上的mV压降。这种方法因母线加工过程中的截面积，局部发热程度、材质的均匀度与密度都会有点差别，加之大电流流过时母排发热阻值变化，从而影响反映测量电流的准确性。
2)测试电力电子器件串联的快速熔断器两端的mV压降。这是行业常用的均流测试方法，同样因各快速熔断器在制造时，装配质量、制造工艺的差别，导致内部多用银片或合金多片并联。随着温度的变化，引起实际内阻的不同。因而同样电流通过时，随着环境温度及内部银片或合金片温度的变化，其mV压降值肯定不同。
3)应用霍尔电流传感器测试各并联支路电流。这种方法是国内行业内使用量较多的所谓均流测试仪之常用方案，由于霍尔电流传感器的测试原理，是按电流不同，磁场强弱引起的霍尔电压变化来获得电流值，因多个电力电子器件并联时，结构上是邻近安装的，其安装位置很近，各通流支路之间存在磁场互相影响。因此决定了测试本支路电流时，霍尔电流传感器测试的不但有本支路电流引起的磁场，而且也测试了邻近的其他支路电流在空间引起的磁场对本支路的影响。因此决定了这种测试方法测得的电流值并非被测量支路电流的真正值。
4)每支路串联分流器测试电流值。由于分流器通常是用康铜或锰铜材料制作，它的工作原理为以电阻压降来反映电流大小。同样随温度的变化，其电阻值也是变化的，因而测量反映的电流值也无法准确。
3.电力电子变流设备中并联电力电子器件的均流措施
由于均流的复杂性，实现多个并联电力电子器件的绝对均流是不可能的，为提高有多个电力电子器件并联的、大电流输出电力电子变流设备运行的可靠性，工程中多采用相对均流来衡量多个并联电力电子器件的均流性能，并采用措施实现相对均流，经过几十年的研究和探索，如今实现多个并联电力电子器件均流的措施，主要围绕着电力电子器件参数的差异，从电力电子变流设备的结构、参数配置、回路阻抗调整3个方面着手。
(1) 从电力电子变流设备的结构考虑
电力电子变流设备结构上考虑并联电力电子器件均流的措施主要有：
1)结构设计上使每个电力电子器件工作时，流过电流的通路长度相同，使每个电力电子器件输入到输出电路电流的路径长度相同，保证各支路电流通路电阻尽可能相同，误差尽可能的小，图1给出了交–直流变换类电力电子变流设备中，每个变流臂采用5个元件并联的实例，因5只快速熔断器相邻两只的中心距与5只晶闸管之间相邻两只的中心距相同，都为l1，5只晶闸管阴极装于一个母排上，5只快速熔断器装于一个母线上，快速熔断器与晶闸管阳极之间距离为l2。其中因电路通流路径，对每个并联的晶闸管长度都是相同的，为l0+l1+l2+l3。
图1 5个晶闸管并联电流通路长度示意图
2)受其他变流臂的影响尽可能小，这些影响包括其他变流臂运行产生的空间电磁场、发热等等；
3)各并联电力电子器件的安装方式相同，并同时保证主电极与引出引入母线之间的接触压力，接触电阻尽可能一致；
4)结构保证各并联电力电子器件本身工作稳定，散热良好，运行中不存在非正常应力，如振动，冲击。
(2) 从电力电子变流设备的参数配置考虑
1)将特性参数尽可能一致的电力电子器件并联在一个变流臂；
2)并联在同一个变流臂的多个电力电子器件，本身性能稳定，不会出现运行一段时间后参数变化问题；
3)对于并联电力电子器件各自串联的快速熔断器、电力电子器件本身、并联的缓冲电路元器件参数进行挑选，消除误差，尽可能使它们特性一致；
4)使用高性能的电力电子器件驱动电路，一则实现并联电力电子器件驱动导通和关断的同时性，二则保证导通后通态压降的一致性；
5)通过的电流不因整个系统调节不良波动，散热良好，运行中不存在非正常应力，控制极驱动状态良好。
(3) 从回路阻抗的设计考虑
尽管对多个电力电子器件并联应用时，可以采取上述措施进行均流，但因电力电子器件制造工艺和原材料区域特性的差异，无法保证每个电力电子器件的内外特性一致，更难于保证多个并联的电力电子器件，电路通路阻抗相等，为保证多个并联的电力电子器件，每个支路电流通路的阻抗差别尽可能小，工程中在前述均流措施效果不太理想时，通常采用在每个支路中，人为增加电阻片的方法使得均流效果得以提高。人为调节各并联支路中每个通路电阻值，来实现均流效果，这种方法通常是采用在电力电子器件串联的快速熔断器与连接母排之间增加电阻片来增大支路电阻，使电流偏大的支路电流降下来。
4.人为增加均流电阻片的有关问题分析
（1)电阻片材质。由于电阻片在一个较长时间内，要在多个电力电子器件并联的不均流支路中工作，因而选用电阻片要满足：长期抗氧化、不生锈、传热性好、耐高温、温度特性好、材料性能稳定，电阻值要随温度变化小，经对常用材料进行分析比较，不锈钢材料因性能很稳定，熔化温度1000多度，远远高于铜，其抗氧化性极好，温度在几十度变形的可能性几乎没有，其运行中接触电阻变化的可能几乎没有，因而选用不锈钢材料做电阻片。
（2)电阻片的安装位置。电力电子器件工作时，通态压降要高于快熔压降，为不影响电力电子器件运行时通态压降产生的损耗转换之热量能正常快速散去，因而调节并联电力电子器件均流特性的电阻片通常安装在快速熔断器与外接母线之间，图2给出了电阻片的安装位置示图。
(a) 原理
(b) 结构示图
注：1.a水冷铜母线 2.b.电阻片 3.C.快速熔断器 4.d.晶闸管 5.R为电阻片等效电阻
图2 提高均流效果的电阻片安装位置示图
(3)电阻片的厚度。为防止电阻片厚度大，硬度大，张力太大，安装在母排与快速熔断器之间时，难于变形，造成快速熔断器与外接母排和电阻片之间压接不紧，同时考虑到各并联支路对人为调节回路电阻的大小要求会有差异，所以电阻片不宜选的太厚，通常选用0.5mm厚，这样按需求大小，可以根据支路自然均流情况选用1～6片电阻片调整支路阻抗。
(4)增加电阻片薄厚的讨论。增加电阻片是国内大电流电力电子变流设备各制造厂家基本认可的方法，现就有关电阻片的问题讨论如下：
1)电阻片薄厚对均流效果的影响：由于并联电力电子器件数量较多时，各支路电流的差别偏差会变大，采取在支路中增加电阻片的方法实现均流时，为调整均流效果，有的支路需要增加的电阻值要相对大，有的要相对小，而不锈钢材料的电阻率是一定的，是多个薄片来代替一个厚不锈钢片，还是直接用一个厚不锈钢片效果好？是电阻片的体电阻还是电阻片与快熔及铜母排之间的接触电阻起主要作用？我们选用为国内某核工业研究院研制的16套晶闸管电力电子变流设备作为依据进行了计算分析，这批晶闸管电力电子变流设备，额定输出±8kA/650V，采用三相桥式非同相逆并联可控整流电路，每个变流臂使用两只4600A/3200V的晶闸管并联，在输出电流6kA时，采用测快速熔断器两端压降的方法，来判断均流效果，共计192个变流臂中，有16个变流臂原始均流效果不理想，快速熔断器两端压降差在12mV～15mV范围，这个压差需要串联电阻片后承担，实现两个快熔两端最终mV值接近，通过每个变流臂的电流为3.462kA,均流时每个晶闸管承受一半，如该晶闸管通过垫厚0.5mm直径为70mm的不锈钢材质电阻片进行均流，该电阻片每片的体电阻按不锈钢的电阻率计算为9.6×10-8Ω，则不锈钢电阻片通过电流时的压降为；3462×9.6×10-8/2=0.166mV,占需要降掉压降差的约1/10，也就是说这时候起主要作用的是快熔与电阻片之间及电阻片与压接母排之间的接触电阻，如选用单片电阻
片每个接触面要降掉5.92～7.42mV,等效每个面接触电阻（5.92～7.42）/3.462=(1.709～2.143)×10-6Ω，总共最大接触电阻为（15-0.166）/(3.462/2)=8.57×10-6Ω；
按线性计算，如选用5片0.05mm厚的不锈钢片代替0.5mm厚的，本身不锈钢片的电阻为9.6×10-8/10×5=4.8×10-8Ω，在直流6kA时压降为：4.8×10-8×3462/2=0.084mV，需要5片不锈钢片之间及与快速熔断器和外接母排表面之间共6个接触面平均承担的mV压降为（15-0.084）/6=2.486mV，5个不锈钢片之间及与快速熔断器及外接母排之间的总接触电阻：（15-0.084）/(3.462/2)=8.62×10-6,每个接触面等效电阻值：2.486/3462=7.18×10-7Ω，与垫一片厚0.5mm不锈钢片来看，每个接触面电阻要小得多；
从上述计算结果明显看出，用5片薄的不锈钢片与一片厚的不锈钢片比较，回路中的接触电阻几乎没有差别，但薄的因接触面多，相当于几个电阻串联，每个接触面接触电阻要小很多，同样电流通过时，发热要小得多，散热要好很多。
我们针对某批电力电子变流设备中，两台设备的4个变流臂中，两个并联不均流晶闸管支路串入不同厚度电阻片的均流情况，进行了实际测试，这批电力电子变流设备每台额定输出都为6kA/650V，图3给出了变流臂电路原理图，表1给出了测试结果。
图3 两个晶闸管并联时的变流臂原理图
表1 串入电阻片不同厚度对均流的影响测试结果
|
序号 |
元件并联组号 |
快熔压接电阻片数（每片厚度0.05mm） |
快熔压降（mV） |
均流系数 |
元件并联组号 |
快熔压接电阻片数（厚度0.5mm） |
快熔压 降（mV） |
均流系数 |
均流效果 |
|
1 |
1VT41 |
0片 |
30.5 |
0.98 |
1VT41 |
0片 |
31.3 |
0.947 |
下降 |
|
1VT42 |
5片 |
29.3 |
1VT42 |
1片 |
28.5 |
||||
|
2 |
1VT21 |
5片 |
41.8 |
0.947 |
1VT21 |
1片 |
43.6 |
0.909 |
下降 |
|
1VT22 |
0片 |
37.4 |
1VT22 |
0片 |
35.7 |
||||
|
3 |
2VT51 |
5片 |
37.3 |
0.978 |
2VT51 |
1片 |
39.3 |
0.949 |
下降 |
|
2VT52 |
0片 |
35.7 |
2VT52 |
0片 |
35.3 |
||||
|
4 |
2VT21 |
5片 |
38.7 |
0.993 |
2VT21 |
1片 |
39.7 |
0.971 |
下降 |
|
2VT22 |
0片 |
39.2 |
2VT22 |
0片 |
37.4 |
5.应用效果简介
基于以上分析和讨论，我们在为国内某核工业研究院研制的16套±8kA/650v晶闸管电力电子变流设备中，应用了增加电阻片改变支路阻抗的方法，提高均流性能，这批晶闸管电力电子变流设备，采用三相桥式非同相逆并联12脉波全控整流电路反并联，四象限有环流运行，经测量其原始均流指标不太理想，单
个变流臂使用4600A/3200V的4英寸晶闸管两只并联，16套电力电子变流设备中共有192个整个臂，安装394只晶闸管，输出运行电流为7200A时，测试原始均流系数，共有16个变流臂不能满足大于0.9的要求，我们采用了对这16个变流臂中电流偏大的晶闸管支路增加厚度0.05mm的不锈钢片，按需要增加3～6片不锈钢片，安装在快速熔断器与外接铜母排之间，最终均流效果与原始均流系数的对照如表2所列。
表2 串入电阻片前后均流效果的测试结果
|
序号 |
元件并联组号 |
未串入电阻片前快熔压降（mV） |
均流系数 |
快熔压接电 阻片数（厚度0.05mm） |
压接电阻 片后快熔 压降（mV） |
均流 系数 |
柜体编号 |
|
1 |
2VT51 |
46 |
0.843 |
0 |
42 |
0.988 |
PF2L-UR2 |
|
2VT52 |
67 |
5 |
43 |
||||
|
2 |
1VT51 |
42 |
0.882 |
0 |
45 |
0.969 |
|
|
1VT52 |
55 |
3 |
48 |
||||
|
3 |
2VT51 |
69 |
0.848 |
6 |
53 |
0.965 |
PF2U-UR1 |
|
2VT52 |
48 |
0 |
57 |
||||
|
4
|
