高频电源驱动ESP：效率、可靠性与大功率化的新路径

基于Alstom Power Ranstad团队十余年高频静电除尘电源研发与运行数据的技术解读

关键词
高频电源,静电除尘器,软开关变换器,LCC拓扑,IGBT动态损耗,超低排放,工业烟气治理

高频电源（High-Frequency Power Supplies, HFPS）自上世纪90年代被引入静电除尘器（ESP）领域以来，一直被视为提升除尘性能和减排效率的重要技术路径。来自瑞典 Alstom Power 的 Per Ranstad 和 Jörgen Linner 团队是这一技术路线的代表力量，其在 1993 年首次将高频开关电源应用于工业 ESP 现场[1]，之后又系统总结了首个十年运行经验[2]，并在随后的研究中持续围绕“效率”和“可用性”这两个工业用户最关注的指标展开优化设计。

从行业应用角度看，高频电源与传统工频高压电源（50/60 Hz）相比，核心优势集中在几方面：更低的输出电压纹波、更灵活的控制、更高的电–气–粉尘协同效率，以及在高比电阻、高粉尘负荷复杂工况下仍能保持较低排放。因此，高频电源已经成为燃煤电厂超低排放改造、水泥、钢铁、有色冶金等行业ESP升级的关键选项之一，也与超低排放、节能降耗等监管要求高度契合。

从电路拓扑上看，高频电源与传统电源的最大差异在于工作频率。论文中典型 HFPS 的工作频率为 25–50 kHz，远高于工频 50/60 Hz。其基本结构是：三相交流经整流进入直流母线，再由IGBT全桥逆变成高频交流，经过高频高压变压器升压和二次整流后，为静电除尘器的高压母线段供电。值得注意的是，由于 ESP 本体在电气上可等效为“高压电容 + 非线性电阻 + 单向导通通道”，其高压极板–极线间电容对高频分量表现为低阻抗，会强烈滤除高频脉动电流的交流分量，仅允许低频/直流成分在电晕放电回路中传输。以典型运行参数 I=1 A、U=50 kV、C=100 nF、f=30 kHz 计算，输出电压纹波小于 0.16%[5]，可以认为HFPS在ESP上工作时几乎提供的是“高品质直流”。对于控制电晕放电稳定性、抑制反电晕、提高荷电与捕集效率，这种低纹波特性具有明显工程优势。

在工业实际应用中，制约高频电源进一步扩容和推广的并非单一器件技术，而是系统层面的“效率与热管理”。功率转换损耗不仅决定了电源本身的效率，也决定了器件结温、模块热点分布以及最终的可靠性和可用性。作者从三个层面展开了系统性研究：IGBT 动态导通损耗、高压变压器寄生参数与拓扑选择（SLR vs LCC）、以及通过模块化设计分散损耗和降低温升。

在器件层面，研究团队针对多款市售IGBT模块，设计了一种专门测试“高频大电流正弦导通损耗”的实验电路。测试电路由两个半桥和一组串联谐振支路构成，通过 T1/T2 激励谐振，T4 作为被测器件（D.U.T.）保持连续导通。在保证峰值电流约 150 A 恒定的前提下，通过改变谐振支路的 L、C 参数获得不同频率（从 DC 等效到 100 kHz 以上）的正弦电流。实时记录 IGBT 的集电极–发射极电压 uCE 和电流 iE，按 p(t)=u(t)·i(t) 计算瞬时损耗，再按周期平均得到导通损耗 P。

测试结果表明，即使在同一额定电压电流等级下，不同厂家的 NPT 型与 PT 型 IGBT 模块在“动态导通损耗”上的表现差异明显[7]。随着频率从 7.5 kHz 提升到 30 kHz，再到 100 kHz 量级，器件内部的电导调制（conductivity modulation）无法在快速上升电流阶段完全建成，导致导通压降显著抬升；而在电流下降阶段则因多余载流子而呈现压降降低的趋势。在较低频率下，这两部分效应在一个周期内部分抵消，额外损耗有限；但在高频下，上升段的“额外压降”远大于下降段的“压降降低”，周期平均损耗明显增加。更重要的是，这种频率依赖行为受结温影响很大：在 125 ℃ 下的导通压降和损耗普遍高于 25 ℃。这意味着：

其一，高频电源设计不能简单按器件手册中的 DC 或低频导通指标估算损耗，必须考虑动态导通损耗；

其二，器件选型与工作频率的组合是一个“系统级设计变量”，同等额定值器件在高频软开关拓扑中的真实损耗可能存在显著差异，值得在工程前期通过样机实验进行筛选；

其三，控制芯片结温的热管理和散热结构设计，对保持长期高频运行的可靠性至关重要。

在系统拓扑层面，论文重点分析了串联谐振型（SLR）拓扑在考虑变压器分布电容后实际演变为 LCC 型电路的特性。高压变压器绕组间及对地电容在原边侧等效为一并联电容 CP，与串联的谐振电感 L 和谐振电容 CS 共同构成 LCC 结构。通过引入参数 k = CP/CS（论文中典型k值约 0.25 以下），作者指出：在相对较小的 k 值下，电路整体仍保持接近 SLR 的软开关特性，但负载特性（即输出电压–电流控制曲线）在高输出电压区间会向“电流源型”倾斜，这恰好符合 ESP 这种“电压刚性负载”的需求。

从时域波形看，每次电流过零时，CP 上的电压需要翻转后，二次侧整流二极管才能重新导通，这一过程对应着一个必要的电荷转移量 QCP。QCP 与 CP、变压器变比 n 以及输出电压成正比。该段时间内，负载与主电路暂时“脱开”，等效上增加了某种软开关缓冲效应；同时，通过合理放大“转换比” d = U’O/VD（一次侧等效输出电压与直流母线电压的比值），可以在不牺牲控制裕度的前提下，显著降低 IGBT 电流及其导通损耗。

测试一台额定 40 kW / 25 kHz 的样机时，作者对不同 dMAX 条件下的 IGBT 损耗进行了对比测量[8]：当 CP=0（接近理想SLR）且 dMAX≈0.76 时，IGBT损耗约为 934 W；引入 CP、增大 dMAX 至 0.89 和 1.01 后，损耗依次降至约 708 W 和 606 W。在额定电压、额定电流点上，类似趋势也得到验证。工程含义十分直接：在高频电源为 ESP 提供稳定直流的前提下，充分利用变压器寄生电容，配合对 LCC 参数的优化，可以在不增加硬件成本的情况下，实实在在“薅”出 20–30% 的 IGBT 损耗降低空间，电源效率和热负荷同步改善。

对于大功率ESP高频电源而言，单机容量动辄 100 kW 以上，若仍采用单桥拓扑，IGBT 模块的结温和局部热点将成为限制功率密度和可靠性的瓶颈。为此，作者提出通过“模块化+均流控制”的方式对 SLR 主电路进行扩展[9]。他们系统比较了三种典型并联方式：

第一种是简单并联IGBT 全桥输出，依靠导线寄生电阻、电感和器件本身差异实现电流分配。这种方式在工程上风险极大，对器件参数敏感，存在显著的电流不均和某一路“吃大电流”的隐患。

第二种是在每个 IGBT 桥之后分别配置独立的谐振支路（L、C），在变压器原边并联汇流。此时各桥电流主要由各自谐振支路阻抗 Z 决定，一旦频率临近谐振点，微小的电感、电容偏差都会被放大，造成严重的电流分配不平衡，对批量生产条件下的实际一致性要求非常苛刻，工程鲁棒性较差。

第三种，也是论文提出并验证的方案，是在各谐振支路之间增加中点联接，通过设计电感 L1、L2 的比值来“强制”电流按比例分配。这样，均流特性主要由电感值比控制，频率变化和器件参数偏差对电流比例的影响大幅降低，系统在较宽频率范围内都可以保持稳定的电流共享。

在一套 120 kW / 70 kV 的双桥原型机（3×500 VAC 输入）上测试表明，通过中点联接的双模块 SLR 拓扑实现了相当均衡的电流分配，两路电流波形几乎重合，系统总电流波形平滑。对于工业用户而言，这种模块化设计的价值在于：一方面可以通过并联模块直观扩展单机容量，满足更大烟气量、更高除尘效率需求；另一方面降低了单个模块的热负荷，使元件工作在较低温升区间，从而提高整个高频电源系统的可靠性和可维护性。

在高频电源推进工业化应用的早期，可靠性一直是业界普遍担心的问题。Ranstad 等人在 2004 年曾基于 820 台 HFPS 连续三个月的实际运行数据，给出了平均无故障时间（MTBF）约 17 年的测算值[2]。随着现场反馈不断回流到产品设计，特别是在高压单元（变压器+高压整流）结构上的优化之后，Alstom 在 2008 年推出的新一代高压单元在 2011 年统计时已经安装 368 台，累计等效运行时间约 533 年。在这批设备上，统计得到的 MTBF 已经超过 200 年级别（系统级测算，含备件策略和模块化更换机制）。考虑到单次故障的典型检修时间在 1–2 小时，HFPS 系统整体的可用性在主机侧已经表现为“基本不成为限制生产的短板”。

从排放合规和运维角度看，高频电源的可用性与电厂或工厂主机出力直接相关——一旦 ESP 部分电源长期失效，机组负荷往往不得不被迫降低以满足排放限值。因此，高频电源在设计上的高 MTBF 与低下线时间，不仅是电气工程指标，更是生产经营层面的“装机价值”。

综合来看，Alstom Power Ranstad 团队的工作给当前国内外 ESP 改造与新建项目提供了几条清晰的技术路线启示：

其一，在控制策略和系统设计上，应充分考虑 ESP 的电气等效特性，高频电源可以以接近“高稳定直流源”的方式工作，有利于实现低纹波、高场强和电晕放电的精细控制，从而在高比电阻粉尘、复杂烟气条件下依然维持低排放；

其二，在器件与拓扑选择时不能简单照搬通用电源设计逻辑，而应特别关注 IGBT 动态导通损耗、LCC 拓扑中寄生元件的“善用”，以及频率、变比和控制裕度三者的平衡；

其三，在大功率和高可靠性需求共存的工业场景中，模块化和均流设计是必选项，通过合理的并联系统架构，可在保证高可用性的前提下，实现高功率密度和良好的维护性；

其四，从长期运行数据看，高频电源在 ESP 行业已经从“新技术尝试”进入“成熟工程产品”阶段，对于正在推进超低排放改造和能效提升的电力、钢铁、水泥、有色冶金企业而言，是值得优先评估和采用的主流技术方案之一。

Keywords: 高频电源, 静电除尘器, 软开关变换器, LCC拓扑, IGBT动态损耗, 超低排放, 工业烟气治理

References:
[1] P. Ranstad, K. Porle. High frequency power conversion: A new technique for ESP energization[C] // EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants. Toronto, Canada, 1995.
[2] P. Ranstad, C. Mauritzson, M. Kirsten, R. Ridgeway. On experiences of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C] // 9th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP IX). Mpumalanga, South Africa, 2004.
[3] N. Grass, W. Hartmann, M. Klöckner. Application of different types of high voltage supplies on industrial electrostatic precipitators[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(6): 1513-1520.
[4] R. Seitz, H. Herder. Switch mode power supplies for electrostatic precipitators[C] // 8th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP VIII). Birmingham, AL, USA, 2001.
[5] P. Ranstad. Design and control aspects on components and systems in high-voltage converters for industrial applications[D]. Stockholm: Royal Institute of Technology, 2010.
[6] K. R. Parker. Applied electrostatic precipitation[M]. London: Blackie Academic & Professional, 1997.
[7] P. Ranstad, H.-P. Nee. On dynamic effects influencing IGBT losses in soft switching converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(1): 260-271.
[8] P. Ranstad, G. D. Demetriades. On conversion losses in SLR and LCC-topologies[C] // MEDPOWER 2002 – 3rd Mediterranean Conference and Exhibition on Power Generation, Transmission and Energy Conversion. Athens, Greece, 2002.
[9] P. Ranstad, G. D. Demetriades, H.-P. Nee. On cascading of the SLR[C] // 39th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC’08). Rhodes, Greece, 2008.

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参考文献
[1] P. Ranstad, K. Porle. High frequency power conversion: A new technique for ESP energization[C] // EPRI/DOE International Conference on Managing Hazardous and Particulate Air Pollutants. Toronto, Canada, 1995.
[2] P. Ranstad, C. Mauritzson, M. Kirsten, R. Ridgeway. On experiences of the application of high-frequency power converters for ESP energisation[C] // 9th International Conference on Electrostatic Precipitation (ICESP IX). Mpumalanga, South Africa, 2004.
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[9] P. Ranstad, G. D. Demetriades, H.-P. Nee. On cascading of the SLR[C] // 39th IEEE Power Electronics Specialists Conference (PESC’08). Rhodes, Greece, 2008.

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