基于散热分析的大功率电力电子变压器
结构设计
摘要：在新型的电力电子变压器逐步得到推广应用的大背景下，本文通过对新型的电力电子变压器电路拓扑及散热分析提出一种结构设计方案。
关键词：电力电子变压器、散热、结构设计
电力电子变压器是智能的电力变压器，随着经济社会的快速发展，电力系统出现了新的特点，比如分布式发电系统广泛应用，电动汽车、直流空调等直流负载的迅猛增长，用户对电能质量的要求也越来越高。同时逐步走向碳达峰、碳中和的大环境下，衍生出了更多样的用能场景，传统的变压器已难以满足电力系统发展的需求，新型的电力电子变压器将逐步得到推广应用。电力电子变压器以电力电子器件为基础，其结构上与传统变压器完成不同，随着设备功率越来越大，功率器件的发热量也随即增大而导致热源集中。散热分析与结构设计对于电力电子变压器能否长期稳定运行有着重要影响，本文通过对新型的电力电子变压器电路拓扑及散热分析提出一种结构设计方案，供读者参考。
1 电力电子变压器的基本原理
随着电力电子技术不断往大功率方向发展，一种基于电力电子变换技术的新型变压器得到了广泛关注，该新型变压器普遍称为电力电子变压器。电力电子变压器结合电力电子变换技术和高频电能变换技术，其核心为电力电子开关器件，通过对开关器件与常规电路元件、变压器的应用与组合，可实现如电气隔离、电压变换、能量传输、功率调节等诸多功能。
半桥或全桥结构是电力电子变压器拓扑中最基本的结构，也是最常用的拓扑结构，但不能对变换器一次侧和二次侧的电流、电压实现灵活调节能力。随着电力电子变压器的进一步发展，在变换环节中间增加了直流环节，结构虽然复杂一些，但其可控性能更好，同时由于采用了高频变压器，变压器的体积也得到了大
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幅度缩小。目前常用的电力电子变压器采用双有源桥加H桥的结构，单个变换电路如图 1 所示，根据图中所示，电力电子变压器的工作原理为：高压10kV交流电，经过输入端的电力电子变换器将高压低频交流变换成高频交流，而后经高频变压器将高频交流电进行降压，传输至输出端的整流变换器，变换成所需的低压直流电，再向负载供电2]。
当应用于高压大功率场合时，受限于商用功率半导体器件的耐压水平，在智能配电网、 新能源并网、 能源互联网等应用领域中，往往采用多个变换电路组合而成，若干功率子模块高压输入端采用串联的形式，低压输出端采用并联的形式，如图2所示。为方便维护检修，每个变换电路往往设计为模块化结构。
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图1 单个电力电子变压器电路拓扑
图2 大功率电力电子变压器电路结构
2 功率模块散热分析
电力电子变压器功率模块为机箱式设计，内部电路包括双有源桥和H桥电路，主要组成器件为开关器件、高频变压器、高压侧组件、低压侧组件等。其中功率模块电路损耗主要包括开关器件的损耗、变压器损耗、控制板和驱动板损耗、取能电源板损耗，其中开关器件和变压器损耗最大，为主要的热源。一般机箱式的
功率模块额定功率在10kW-100kW之间，参照额定输出电压750V，额定输出电流50A的基于 SiC MOSFET 的电力电子变压器功率模块，额定输出功率点效率为98.55%，即损耗为543W。
因此单个功率模块可等效为机箱式结构内，存在543W的热源。散热方式一般分为水冷散热、强迫风冷散热以及自然风冷散热三种，自然风冷散热效果最差，只能适用于发热量少、对散热要求较低的场合，而水冷散热效果最好，但是水冷散热系统复杂，维护难度大，成本高等缺点，往往在强迫风冷满足不了散热需求的场合才考虑使用。综合功率模块损耗情况，本文考虑采用强迫风冷的散热方式。因此考虑在模块高压侧设置进风口，低压侧设置出风口，为了有效散热，在出风口处装置抽风式风机，如图3所示。通过合理选型散热风机、设计进风口大小，可有效的将功率模块热量排出。
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图3 机箱式功率模块内部散热示意图
3 电力电子变压器结构设计
基于大功率电力电子变压器电路的串并联结构，以及单个功率模块机箱式设计，为了便于检修维护，同时确保有效散热，可通过间隔及分层布置于屏柜内，避免了功率模块之间的热量互相干扰，整体的外形尺寸在满足系统绝缘配合要求的基础上可尽量紧凑，以10kV高压侧单相为例，设计方案如图4所示，实际可参照调整。
本文以6个功率模块组成的电力电子变压器为例，从图中可以看到，功率模块在屏柜内部分两层布置，每层各有3个功率模块，各个功率模块的高压侧接入端口首尾相连，以串联形式实现组合，各个功率模块的低压侧输出端口则以并联形式实现组合。电力电子变压器整体结构简单，各功率模块均易于拆卸，屏柜背
面为出风口，各功率模块的散热风机可直接通过背面完成拆卸替换。此结构在确保散热效果的同时，对于日后运维也带来了极大便利。
图4 屏柜式电力电子变压器散热设计示意图
4 总结
本文通过对电力电子变压器电路结构，以及单个功率模块散热分析，提出了基于大功率电力电子变压器电路的串并联结构的结构设计方案，通过合理选型散热风机、设计进出风口大小，可实现有效散热，同时便于运维检修。
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