高压变频器功率单元采用虚拟空间技术的研发

1 概述

国际上的大型跨国公司在各种新技术、新产品的推广中，常常标明是应用虚拟空间设计技术，数字化工作平台开发出来的。这些描述常常让人感觉其产品开发平台昂贵，技术难以学习，并且难以应用。

而在实际中，虚拟空间设计技术，数字化工作平台都是对三维技术的一种具体应用，是通过应用三维软件对设计的产品制作出各部分零件的立体的软件图形。通过零件的立体软件图形，观察到将要制造出设备的具体形状与内部构造及各零件的布置与配合间隙，能够实现二维绘图所实现不了的功能。

资料显示，跨国公司的研发设计已经全部采用虚拟空间技术进行，研发产品从设计初期即用三维技术进行，其设计效果与二维技术进行的设计有着本质上的不同。而我国对虚拟空间设计技术的应用并不广泛，这主要是因为对三维技术的认识不足，本文以应用三维技术对复杂电力电子产品的研发，说明虚拟空间设计技术的应用与产生的效果。

2 虚拟空间设计技术在电力电子行业中的应用

2.1 虚拟空间设计技术在电气行业中的发展

在电气行业中，由于电气组件的特性，其结构复杂性低，传统采用二维制图技术即可满足应用。

三维技术在电气行业中的应用没有在机械行业中的应用早，也由于早期能运行完成三维制作性能的计算机价格极为昂贵，只有在大型机械系统设计中，因对零部件间的配合与间隙要求非常严格，如军工、航天等超大型项目的研制中，方能有足够的资金应用虚拟空间设计技术。但随着计算机性能的提高，价格的下降，原来只能在大型机应用的三维软件在通用计算机上也能运行，这为虚拟空间设计技术在电力电子行业的应用提供了条件。

2.2 电力电子行业对虚拟空间设计技术的需求电力电子技术是新兴的电气技术，主要的特征是电力器件与电子器件的相互结合与相互渗透，利用弱电控制强电。采用新型高压大功率半导体器件代替笨重的开关器件，使原来体积庞大的电气设备体积缩小，这就对器件本身的散热性、电磁兼容性及在小空间内的安装固定等的要求越来越严。

现代电力电子设备的结构与复杂性已经与大型复杂机械结构接近，由于在将不同等级，不同要求的元器件集中在一个设备时，就对每个组件的空间位置，相互作用，布置排放有很高的要求。由于二维设计技术对于组件相互干涉，特别是空间的电气干涉表达的不够明确，常常出现将实物样机制作完成后，才发现各种与要求不符的情况，这样不但浪费了大量的人力物力，而且极大地加长了研发完成的时间。

对于电力电子设备的研发而言，虚拟空间设计技术平台是电力电子设备研发的中期应用，是在完成电力电子设备原理之后，进行结构与样机设计时进行的应用。在电力电子设备研发中，制作出符合要求的结构与样机是研发过程中占用时间最长的阶段，也是出现错误最多、最严重的阶段。

将虚拟空间设计技术应用于电力电子设备的研发，通过建立一个的虚拟工作平台，利用三维设计的图形组件定位功能，可以在未制作样机前，即对各组件在不同位置，采用不同的连接方式，对散热与相邻的绝缘等状况作精确的判定，并在样机制作前即可确定最终设备的大小，空间的相互排布，敏感器件的空间环境等情况。这样可极大地减小出错率，节约大量的人力、物力与时间。

2.3 选择建立虚拟空间设计技术平台的软件

建立虚拟电子平台首先要选择一种载体，在三维制图中，最著名的三维制图软件分别是AutoCAD、Pro/E、Solidworks。要选择一种软件作为研发产品的虚拟工作平台，应从多方面进行考虑，三维软件只是一种工具，而作为工具，最重要的是要求适用。

在以上三款软件中，本文选择AutoCAD作为三维技术中的虚拟空间设计技术平台的载体。主要原因是AutoCAD 软件在国内应用在三维技术上最早，是在国内具有自主知识产权的三维软件平台，在电气行业中，其应用最为广泛。虽然Pro/E 和Solidworks的三维功能都比较强大，但主要是面对于机械行业，同时其软件投资较大，且操作复杂。

利用虚拟空间设计技术进行电力电子设备的研发，是利用三维技术做出的实体模型与实际中应用的设备非常接近的特点，采用三维旋转使图形组件定位的功能进行一些原来只能在样机中才能进行的工作，达到了缩短开发周期，提高研发质量的目的。应用AutoCAD作为三维电力电子虚拟平台，简单易学，不但与以前的设计相兼容，不必专门安装两种软件，最重要的是可以将主要的精力用于电力电子设备的研发，而不是用于对软件操作的学习。当对AutoCAD的三维技术应用熟练后，就会发现转用Pro/E和Solidworks 就只是一个适应操作界面的问题了。

3 虚拟空间设计技术平台的建立

3.1 虚拟空间设计技术平台建立的要素

虚拟空间设计技术平台和三维软件是不同的概念，计算机和三维软件结合起来，只能称为三维设计室，并不能称为虚拟空间设计技术平台，只有在对基本模型建立完成后方能称之为虚拟空间设计技术平台。在电力电子研发中，对于只能购买，不能制作的电力电子器件称为刚性器件，而只有将刚性器件模型建立完成的工作环境才能称之为电力电子虚拟空间设计技术平台。

3.2 根据变频单元原理图确定刚性器件的种类在变频器单元中，既有强电输入输出，同时有控制电源输入，仅控制信号输入，电流就从几mA到几百A不等，所以对空问距离要求极严。

要建立功率单元的虚拟空间设计技术平台，首先根据功率单元的原理图1，将刚性器件采集出来。利用三维技术制作的是结构，是用于安装元器件的，对外部购买的标准器件，在虚拟空间设计技术工作平台中是独立的图元，只允许进行移动，而不允许更改。对功率单元进行解析后，分解出基本刚性元器件图元有：隔离电源变压器，控制保险，主控制，旁路晶闸管，旁路整流桥，扼流环，输入保险，输入整流桥，吸收电容，电容均压板，电解电容，IGBT。

3.3 利用三维软件建立电力电子三维设计平台

首先在AutoCAD 软件中建立起一个名为“功率单元三维立体模型”的文件，如图2 所示。

在建立文件完成后，将其存作名为“功率单元”的CAD文件，并将其放入专用的文件夹，这表明功率单元分系统的工作空间建立完成。

对从原理图中分解出的标件的刚性组件，必须按实物进行全比例输入，其输入结构的准确性影响整个虚拟空间设计技术平台的精确性。

对于基本图组件，参考说明书，并用卡尺等工具对器件外形进行测量与校对，在数据准确的前提下，绘制出三维图，绘制完的每个图元就是一个刚性组件模型，并建立不同的层，将其放入相应的层中，这样就形成了一个基本的电力电子三维设计平台，如图猿所示。

3.4 完整的虚拟空间设计技术平台的建立

在电力电子设备研发中，利用三维技术将刚性元器件设计到最佳的空间，之后再与机械加工工艺相结合，才能称为一个完整的虚拟空间设计技术工作平台。在初步完成的电力电子设计平台基础上，将机械加工设备所备有加工能力的模具图形加入其中，嵌入功率单元结构设计的全过程，使研发出的设备可以直接加工制作。如图4 所示。

源应用虚拟空间设计技术平台的研发进程

4.1 制定研发原则

在虚拟空间设计技术平台上进行变频器单元的研发，就要充分利用虚拟空间设计技术平台上的图形与实际一致，即所见即为所有的效果。根据三维设计强大的立体空间感，制定符合虚拟空间设计技术平台的研发原则，以提高研发的效率。

1)在组件结构设计上，以结构本体实现配合为主，减少需要人工保证安装配合精度的部件。

2)充分考虑设备的加工精度，不要设计出设备加工不出来的组件。

3)强电弱电系统分别布放，不出现强弱电并排布线的问题。

4)组件空间布置符合EMC 标准。

5)在保证技术参数的条件下，尽量缩小体积。

4.2 设定器件空间布置

1)整体布局电力电子设备的第一要素就是稳定，从这一要素出发，功率单元器件的基本拓扑结构采用经典的立式结构，即将电解电容按阵列形式排布，放置于功率单元底部。功率器件放置于电容阵列顶部，这样即可保证功率单元结构的合理性，又可以缩小功率单元的体积。

2)电容阵列电容阵列是在所用的子系统中体积最大的，同时也是最重的。按照布放原则将6只电解电容进行垂直放置，同时从散热结构出发，狭长形结构更为合理，故将电解电容进行三横二纵方式排列，可以用简单的铜带连接即可实现三串两并的电气要求。

3)功率器件布置功率器件中，整流桥和IGBT都必须装于散热器上，同时因有大功率母线与电容阵列连接，故采用平面顺序形式布置。从电磁兼容角度出发，并结合功率单元输入输出为从前部下侧保险输入，前部上侧端子输出，故采用将整流桥在前，IGBT在后的结构形式。

4)主控板的布置在全部器件中，主控板的表面积最大，同时从电力电子器件的电磁兼容要求出发，从主控板的驱动到IGBT的控制端子的引线应为最短，故将主控板放在IGBT的前侧。

在虚拟空间设计技术平台上，充分发挥实际组件都不能进行悬浮放置的特点，结合研发原则，将所有应用的组件模型在空间中进行调整摆放，并对其进行性能评估，选出最佳的布置方案，如图5所示。

4.3 设计散热系统

在这种虚拟平台下的结构研发，需要的就是研发人员的想象能力，而不是对实际物体的熟悉能力。只要是能够创新出一种新的外壳结构形式，那么就能在虚拟平台上进行验证，以检测出其合理性，电气间隙，电磁干扰，结构强度等一系列原来只能在实物中观察出的数据。

在虚拟工作空间中，对于电力电子器件的散热，利用空间精确定量设计的功能，将其设计为双风道散热系统，是利用强电与弱电间的屏蔽板层与散热表面形成的，如图6所示。

4.4 制作出虚拟外壳基本形状

根据结构强度的计算，利用1.5 mm 的镀锌板制作外壳。用一个盒形板的形状将体积最大的组件包含在内，这样，功率单元最初壳体的形状即出现了，如图7所示。充分利用虚拟空间中各组件的独立空间功能，将需要功率单元内外之间通过的线束、铜带等过孔的位置作以确定，可以采用先将通过的元件画出，再进行过孔设计的方法。

4.5 完成功率器件的固定与内部布线

在设计中，按照以下的原则对功率单元进行布线。

1)功率回路尽量采用铜排结构，且同一回路布置做成层叠位置，使其圈起的面积尽量的小;

2)高电压与低电压的线束分别布置，控制线采用双绞线的结构;

3)整流桥输出线与IGBT线束分开; 图8 内部电气连接结构完成图

4)铜带结构用整体制作，不作中间连接;

5)吸收电容直接压于组件上。

功率单元内部的电气连接是属于多电压、多信号的复合连接，其布线的结构直接形响着功率单元的最终稳定性，所以在虚拟空间设计技术平台中，可充分发挥平台的虚拟与外形仿真的特点，使用电磁兼容原则，对回路进行多种连接的测试与比较。

在未用三维技术时，电气连接的相互干涉只能用实物验证，当发现问题再进行更改，需要很长的周期与资源，常常由于时间与资金的限制，会降低电磁兼容标准。在应用虚拟平台进行三维技术研发时，其优点完全体现出来。在进行连接构建中，应用电磁兼容的原则，经常出现布不通和相互干涉的情况，发现之后即可改正。其中最严重的时候常常需重新调整组件位置、结构组架形状，在未用三维技术时相当于重新研发一次，而在本次研发中，只是构建过程中的一个调整。

在虚拟平台上，可以在研发的过程中发挥创造与想象能力，尝试各种形式的布线方法，完全贯彻电磁兼容的要求原则，最终的内部连接结构如图8 所示。

4.6 完成变频器单元布线结构

在变频器单元中，布线结构是要求较高的部分，即要求强弱电分开，同时不同回路之间不能形成位置环线，核心驱动连接部分要求有长度限制。

在虚拟平台设计中，这是为应用不同的线束符合相关的要求，对结构的连接部件进行调整的次数最多的环节。设计完成如图9 所示。

4.7 变频器单元设计完成

在完成技术参数要求后，对功率单元的外形与安装部分进行设计。充分考虑安装工艺和调试流程的要求，要做到能方便地实现快速装配与调试加电的功能，设计完成后如图10所示。

对变频器单元的外部加上标识，达到大方美观，安装方便的要求，完成后如图11 所示。

在虚拟空间设计技术平台中的功率单元完成后，利用三维实体转工程图的功能，将各部件的三维实体图转化为机械加工图，在按图加工完成后，其各结构与虚拟平台中的组件结构完全一致，达到了预定的目的。

5 结语

采用虚拟空间设计技术进行设备的研发，在国内最早见于报道的是成飞集团，是应用于飞机的整体设计中。所以在国内虚拟空间设计技术被蒙上了一层高难度的面纱，认为其只能应用于非常复杂，非常高难的机械系统中。而实际上，虚拟空间设计技术的难点不在于软件的操作，而是在于一种思维的转变，实际上，用三维制图要比二维制图容易得多。

应用虚拟空间设计技术平台完成变频器的单元的研发，通常需要一年时间，而本次设计在半年内就完成了。同时，在研发中的装配问题已不需要多个样品来定型，在虚拟平台中即可以完成，节约了大量的人力与物力资源。在研发过程中，要使电磁兼容的原则完全贯穿通过于整个系统中，如没有应用虚拟空间设计技术平台中的即时更改的优点，那将是很困难的。

在信息技术飞速发展的年代，虚拟空间设计技术已经是一种通用的技术，并不是机械行业专用的技术。在电力电子行业中，应用虚拟空间设计技术进行设计研发是使我国电力电子行业成为世界一流水准的加速器。