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电动汽车驱动 三电平 ★ 5.0

航空航天应用中1MVA三电平ANPC逆变器母线的设计与表征

Design and Characterization of Bus Bars for 1-MVA Three-Level ANPC Inverters in Aerospace Applications

作者 Di Wang · Linke Zhou · Samuel Hemming · Jiaming An · Yulei Wang · Giorgio Pietrini
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2024年9月
技术分类 电动汽车驱动
技术标签 三电平
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 母线排 多电平逆变器 航空航天应用 叠层母线排设计 效率
语言:

中文摘要

母线在连接各部件方面起着至关重要的作用,广泛应用于高功率逆变器中。过去人们已做出诸多努力来降低母线的杂散电感。对于多电平逆变器而言,其换流回路比两电平逆变器更为复杂,母线的物理布局和寄生参数尤为重要。此外,对于航空航天等新型且要求更高的应用场景,母线在设计时需保证其具有无局部放电(PD)的绝缘性能,同时还要实现轻量化。鉴于航空航天应用中冷却条件较为苛刻,母线的热设计和冷却性能也值得高度关注。本文针对电动飞机推进用的 1.5 千伏、1 兆伏安三电平有源中点钳位(ANPC)逆变器,提出了一种叠层母线的综合设计方法。采用所提出的设计方法,在仅 1.77 千克的布局下,实现了短、长换流回路电感分别为 29.4 纳亨和 48.8 纳亨,具备无局部放电的绝缘性能,且热性能令人满意。实验结果证实,采用所设计的母线,1 兆伏安 ANPC 逆变器在半载条件下的效率可达 98.97%。

English Abstract

Bus bars play a crucial role in connecting components and are widely utilized in high-power inverters. Efforts have been made in the past to reduce the stray inductance of bus bars. In the case of multilevel inverters, which involve more complex commutation loops than their two-level counterparts, the physical layout and parasitic parameters of bus bars are particularly important. Furthermore, for novel and more demanding applications such as aerospace, bus bars need to be designed to be lightweight while ensuring a partial discharge (PD)-free insulation performance. Given the challenging cooling condition in aerospace applications, the thermal design and cooling performance of bus bars also warrant considerable attention. This article presents a comprehensive design approach of a laminated bus bar for a 1.5-kV 1-MVA three-level active neutral-point-clamped (ANPC) inverter for electrified aircraft propulsion. With the proposed design methodologies, 29.4- and 48.8-nH inductance for short and long commutation loops, PD-free insulation, and satisfactory thermal performance are achieved with an only 1.77-kg layout. Experimental results confirm that the efficiency of the 1-MVA ANPC inverter can reach 98.97% under half-load conditions with the designed bus bar.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项针对航空航天应用的三电平ANPC逆变器母排设计研究具有重要的技术参考价值。该研究聚焦于1.5kV/1MVA功率等级的母排优化设计,与我司在大功率光伏逆变器和储能变流器领域的技术需求高度契合。

该论文提出的层叠式母排设计方法论在三个维度上具有突破性价值:首先,通过优化物理布局将短、长换流回路的杂散电感分别控制在29.4nH和48.8nH,这对提升我司多电平逆变器的开关性能和降低电磁干扰具有直接借鉴意义,特别是在1500V光伏系统和高压储能应用中;其次,无局部放电的绝缘设计方法可显著提升产品在高海拔、高湿度等极端环境下的可靠性,这对我司拓展海外市场和特殊应用场景至关重要;第三,在仅1.77kg重量下实现优异散热性能的轻量化设计理念,可为我司户用储能、工商业储能等对功率密度有严格要求的产品线提供技术路径。

值得关注的是,该逆变器在半载工况下实现98.97%的效率,印证了优化母排设计对系统效率提升的实质性贡献。对于阳光电源而言,技术挑战在于如何将航空级设计标准与光伏储能行业的成本敏感性相平衡。建议重点关注其多物理场协同优化方法和绝缘材料选型策略,结合我司在三电平拓扑上的技术积累,推动新一代高功率密度、高可靠性逆变器产品的开发,特别是在兆瓦级集中式逆变器和大型储能PCS领域形成差异化竞争优势。