理解被动元件在新能源系统中的作用

日期:2014-08-11
 

功率转换器和中间电路
作者:Vishay Intertechnology
电阻器等被动元件对新能源的贡献的重要性有时被低估。实际上,这些元件的性质和质量对现代功率转换器的效率和质量有持久的影响。拥有关于被动元件及其质量的完善知识对于保证新能源系统(如风力发电、光伏系统和生物质燃烧发电)在最佳状态下的长期无故障运行具有根本重要性。
 
功率转换器
功率转换器是分散式并且大多为中小型能量产生及储蓄装置的一个关键模块。其作用是使各不相同的反馈能量形式及水平适应跨区域(supra-regional)电网的并网要求。不管转换器的输入是交流电还是直流电,交流电流(及电压)输出都是在特定频率和振度下产生的,该输出然后被输送给输电和配电线路(或消费者)。
要实现对功率转换器的最佳控制与调节,我们需要知道功率转换器中每个位置的电压与电流信息。反馈电压和反馈电流的滤波、调整和测量首先在转换器的输入位置进行。其他功能包括转换器工作点的确定和优化、输入过载保护以及对 EMV 噪声信号的有效抑制。电压用欧姆式电位计电阻器来测量。需要的电阻器数量由电压水平、在输入位置产生的电压和电流脉冲以及首选电阻器设计来确定。对电压测量(容差)、转换器温度(温度系数TK)及电阻器寿命或转换器服务寿命的容许偏差(稳定性ΔR/R)的精度要求通过带引线金属-釉层电阻器(如VR 37)、带引线金属层电阻器(如MBB/SMA 0207)或SMD-MELF金属层电阻器(如MMA 0204/SMM0204)来满足。在要求更高的转换器中应当优先使用SMD-MELF金属层电阻器(图1),因为除了卓越的电气性质以外,这些电阻器还能把表面贴装分压器中的电阻器数量减至最少,从而降低生产成本和减少组装错误。
 

1SMD MELF 电阻器
 
有多种用于电流测量的程序。与电阻器有关的程序首先是用分流电阻器进行电流测量,其次是用变流器或电流传感器进行电流测量。分流电阻器是阻值可低至0.1 mΩ的极低阻值元件。它们允许通过测量电阻器的压降来进行电流测量。这些分流电阻器的基础是由以Power Metal Strip®商标而著名的电阻器(如图2 中的WSBS系列)提供的。大量的专用分流电阻器(例如带有或不带Kelvin接触件、螺杆、焊接点、焊接接触件或者有涂层/无涂层)提供各种弯折形状的连接接触件设计。它们支持高达600 A (WSBM 8518)和1000 A (SPR4001)的极精确电流测量,适合能源工程领域的许多应用。

2:WSBS Power Metal Strip®电阻器
 
应当注意的是,针对从分流电阻器到模/数 (A/D)转换器的模拟信号处理链,功率转换器尽可能使用了采用金属或薄膜技术的长期稳定电阻器。根据要求和工作温度范围的不同,除了已经提到的SMD MELF电阻器以外,还有大量分立 SMD 扁平片式电阻器可供使用,如P-、P-NS-、TNPW-、MC-及MC AT系列。ACAS AT系列中的 SMD 薄膜片式电阻器阵列(图3)具有温度系数同步工作及高精度等性质,为精密和长期稳定信号处理提供了一种解决方案。

3:ACAS AT 片式电阻器阵列
 
变流器和电流传感器使用电流产生的磁场。简单变流器是一种特殊形式的变换器,必须在次级侧端接一个阻值不超过 47 的低阻值电阻器(负载电阻器)。这些电阻器应当具有小温度系数(TK: +/50 …+/-15 ppm/K),以避免由于温度波动或自愈功能引起的测量误差。根据变流器以及二次电流电平的不同,可以使用来自RH系列的带引线电阻器(图4)或 SMD 电阻器(图1 中的MMU 0102 或图5 中的 MCW 0406 AT 系列)。

4:RH 系列
 
简单变流器的缺点在于只能测量 AC 电流。DC 电流需要使用霍尔传感器通过磁场来测量。
这些电阻器始终需要一个额外的供电电压来确保传感器模拟信号处理的正常进行。当具有大电流要求时,可使以用闭环霍尔效应变流器,其补偿绕组的激励方式会使线圈中的磁通量变为零并消除自身。流经补偿线圈的电流与一次电流成比例,但小了无数倍,所以可以使用低阻值精密电阻器(如图5 中的MCW 0406 AT)来测量补偿电流。

5MCW 0406 AT
 
DC 中间回路
正如上文提到的那样,电阻器的选择取决于对功率转换器的各项要求。由于近年来把来自风轮机和光伏系统的能源并入电网的功率转换器数量迅速增加,所以功率转换器必须有助于 AC 电网的稳定。如果需要的话,现代功率转换器能够向电网提供电容性和电感性无功功率。DC 中间电路电压的电平在这当中扮演着一个重要角色。根据中间回路电压的电平,在某些方面,回路电流的相位调整可能是电容性的或电感性的。中间回路电压的增加可直接在输入位置进行,或通过内置升压转换器来进行。中间回路电压的减小通过减小输入电压和通过连接斩波电阻器来进行。这些斩波电阻器的尺寸随功率转换器功率的增加而增加。来自AC-、Z300- 或 CP系列的线绕式电阻器可用于小型电容转换器。SMD 解决方案则提供了各种厚膜电阻器,如采用D²PAK外壳(图6 中的D2TO20)或者采用基于SMD 碳膜 MELF 电阻器(CMB 0207)的串联/并联电路的组合形式。



6D2TO20
 
50 W以上的斩波电阻器提供有电路板外的连接件。应当注意的是,由于脉冲式工作的缘故,采用了具有最低电感分量的斩波电阻器来避免电压尖峰。这是因为它们会迅速达到针对半导体和电容器的成倍最大容许电压,并因此可能造成相应元件的损坏。LPS 系列提供了此种外置斩波电阻器(功率损耗为300 W - 1100 W)和组装及连接简单的特性。LPS1100(图7)提供12 kV的绝缘耐受电压,可安装在合适的散热器上,虽然其尺寸只有57 mm x 60 mm,功耗在散热器温度为+25 °C条件下为1100 W,阻值范围为1 - 1.3 k,组装高度仅 25 mm。


7LPS 1100
 
要获得高电流脉冲,应当使用带有扁线绕组的电阻器(GBS-、RB- 或 EDG系列)。用回纹波形式 (meandered)钢板制造的斩波电阻器(钢板/钢格栅电阻器)可用于功率输出范围为5 kW - 1 MW的转换器。来自 VSGR(图8)和 ULDCR 系列(图9)的电阻器能够吸收来自中间电路的高达 20 kW 的高功率额定值或高达3.46 MJ(crowbar电阻器)的能量,并将其转换为热。Vishay Intertechnology最新收购的法国公司MCB Industrie拥有功率损耗不超过 2 MW(强制通风条件下)的钢板电阻器。

8VSGR 系列
 

9ULDCR 电阻器
 
功率半导体(HV-MOSFET或 IGBT)的 B6 桥式排列把来自中间电路的 DC 电流转变为正弦电流,馈入输电或配电电网的各个相。在转换器的输出位置,电压测量通过分压器对每个相来进行,电流测量通过分流电阻器或变流器和传感器来进行。
对于转换器的质量和性能,一个常常被忽视的要点是串联电阻器,功率半导体就是通过这些电阻器来激活的。必须对精度、长期稳定性和温度行为给予特别重视,因为它们对开关行为、进而对转换器效率具有决定性的影响。功率开关还频繁处于并行工作模式,这时同步是非常重要的,由温度或其他环境影响因素造成的串联电阻器的偏差会对整个系统的可靠性和负载分配产生致命后果。上文提到的半导体元件在每个控制栅位置都有内部电容,在通电期间必须首先对这些电容进行充电,以便将“开关”转变到 ON 状态,或者必须进行放电,以便将开关转变回 OFF 状态。在开关频率范围为10 – 20 kHz 的连续工作期间,根据半导体开关尺寸的不同,串联电阻器的功率耗散为几瓦左右。除了耗散功率以外,选择这些电阻器的根据还包括针对这一点的电流负载能力,对电阻器设计和所使用材料的准确知识也是必要的。对用于功率输出不超过 8 kW 的光伏应用的功率转换器来说,在每次开关操作期间,流经串联电阻器的开关电流最大可达 25 A。所以应当尽可能使用具有高脉冲负载能力的坚固而可靠的电阻器,以便能够甚至在连续工作多年之后仍然可以正确进行开关操作。作为 SMD 器件的变体, SMD MELF 电阻器是特别适合,因为这些电阻器的表面积是扁平片式电阻器的近三倍之大。可以使用SMD MELF电阻器的低电感变体(如MMA 0204 HF)作为标准电阻器来满足有关开关行为及控制信号质量的特殊要求,例如对于高开关频率或陡开关侧翼的要求。来自GWK系列的线绕式电阻器的连接帽使得在批量生产用于输出功率大于 100 kW 的转换器的功率半导体时非常方便组装。DWK系列电阻器提供具有两个相邻绕组的无电感版本,使得GWK电阻器的行为类似于“老大哥” SMD MELF 电阻器。由于是釉面电阻器,GWK系列能够满足风轮机和集中式转换器对坚固性和耐用性的要求。
www.vishay.com
 

订阅我们的通讯!

电子邮件地址