大功率變流器系統H橋低感疊層母線排設計

大功率變流器正在被越來越廣泛的應用，其所使用的IGBT越來越短的開關時間導致了過高的du／dt和di／dt，這就導致了分布雜散電感對功率器件關斷特性有更重要的影響。疊層母排技術可以有效抑制IGBT的過電壓尖峰。

近年來直流母線排的研究主要有兩個方向。

(1)由于開關頻率越來越高，母線排的高頻模型變得地位非常重要。在文獻[3～5]等論文中，都提出了直流母線排的高頻模型，但是這些文章都采用了較小尺寸器件適用的PEEc方法，通過建立等效電路得到母線排的高頻模型，所得到的母線排模型應用范圍比較狹窄，而且缺乏工程實用性。

(2)改變母線排形狀以實現低電感。文獻中采用給現有母線排開狹長形缺口的方法以改變電流流向，但其減少母排電感的可靠性值得懷疑，因為母線排內的孔洞造成的渦流損耗和電流分布不均可能反而會增加母線排的電感。

本文從實際出發，針對80KVA／400A變流系統H橋母線排提出一種新的優化設計方案，從IGBT布局、母排結構設計、緩沖吸收電路選擇等方面全方位保證母排電感參數達到最優，在實際應用中有很好的可行性和可靠性。

IGBT并聯均流設計

隨著市場對兆瓦級大功率變流器需求的激增，目前IGBT并聯方案已成為一種趨勢。因為IGBT并聯能夠提供更高的電流密度、均勻的熱分布、靈活布局以及較高的性價比(這取決于器件及類型)。通過將小功率IGBT模塊(包括分立式IGBT)、大功率IGBT模塊進行并聯組合，可獲得不同額定電流的等效模塊，而且實現并聯的連接方式也靈活多樣。以高壓變頻器中廣泛采用的H橋拓撲結構功率單元為例，其并聯實現可以用不同電路結構的IGBT模塊，如半橋“ff”、單個“fZ”、四單元“f4”和六單元“fS”，如圖l所示。并聯可降低模塊熱集中，使其獲得更加均勻的溫度梯度分布，較低的平均散熱器溫度，這有益于提高熱循環周次。因此，IGBT并聯是大功率設計應用的最佳解決方案之一。

然而，并聯IGBT之間靜態與動態性能的差異會影響均流，使得輸出電流不得不被降額。而且電流分布不均勻會導致雜散電感參數增大，由于直流環節的雜散電感，在IGBT關斷時會出現過電壓，可能導致模塊損壞。從均流角度方面，并聯設計好壞對降額起關鍵性的作用，且遠大于IGBT自身參數差異性所引起的問題。因此，并聯應重點考慮如何通過設計確保均流。文獻說明了影響IGBT均流的五個重要因素。并聯設計應該集中在這些因素上面以優化驅動回路、功率換流回路、模塊布局以及冷卻條件等，其目的是確保每個并聯支路盡可能實現對稱。

母線排低電感結構設計疊層母線排結構

由鄰近效應原理可知，某一導體的高頻電流在鄰近的導體層會形成輻射干擾電流。對于雙層銅排，當電流源路徑與地平面互相疊層并使間距滿足絕緣層厚度遠小于母排寬度時，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個內部平面上，部分高頻磁場可以相互抵消，相當于等效減小了回路電感。疊層母線排與平行母線排電感大小比較如圖2所示。

電流路徑設計

如果連接線路和器件構成一個“回路”，即如圖3上半部分所示回路。換流回路上疊加的各感應電壓將會和直流母線電壓一起加在功率器件上，產生關斷電壓尖峰。尖峰過高可能造成器件過壓擊穿、增大開關損耗、加劇共模干擾，甚至帶來局部放電的危險。因此，在母線排結構設計中，應該盡量避免回路或者保持電流回路交叉。

電容安排設計

大功率器中分布雜散電感的抑制離不開緩沖電容和電解電容，出于成本考慮，一般選用鋁電解電容支撐母線直流電壓。由于其耐壓等級低，需要大量串并聯，連接線路上的雜散電感會造成各并聯電容間高頻電流分布不均勻，距離功率器件較近的電容會承受高于額定值的電流而急劇發熱，因此這兩者是工業工程應用中的主要問題。在電容結構設計中，主要影響因素有三個方面，分別是：電容端子設計方向、電容串聯結構設計。圖4分別測量了不同電容端子設計電感的值，圖s給出了典型設計方案和主流低電感設計方案中電容串聯方式的不同。從圖中可以得出這樣的結論，電容端子的方向對電感有較大影響、而電容采用無環路串聯方式可以極大的降低母排電感。圖6給出了電容端子設計良好時母排電流的有限元分析、由圖可以看出在母線排表面電流分布十分均勻，等效作用降低了電感。

優化后母排仿真與實驗結果

有限元軟件分析結果

圖7為實際優化后使用的H橋母線排結構，在考慮到電流路徑和電容端子方向及其他優化方式后，使用有限元分析軟件ANSOFT對其表面電流分布進行了仿真。仿真結果如圖8所示。由圖中可以看出，除母線排開孔處由于渦流效應導致的電流分布不均勻以外，整個母線排的電流分布比較均勻。由此造成的雜散電感經過有限元軟件直接提取結果為21nil，可以滿足工業要求。

實驗驗證結果

本節主要通過實驗進行典型布局下的母線排IGBT過電壓波形與采用優化后布局(如圖9)的比較。實驗使用80KVA／400V變流器系統。圖lO和圖ll為實驗得到的IGBT過電壓波形，其中圖ll為采用典型布局的H橋母線排中測得的IGBT過電壓波形，圖12為采用優化后布局的母線排中測得的IGBT過電壓波形。由圖中可以看出新型母線排布局有良好的抑制過電壓效果。

結論

本文以80KVA／400A變流器系統為例，設計了一種新型的疊層母排，得到了以下結論。

(1)新型疊層母線的應用使得各器件具有良好的關斷特性，可以減少吸收電容的使用個數，縮小系統體積，具有良好的電磁兼容特性。

(2)疊層母線的布局中應注意電流路徑、電容端子布局等問題，可以有效的減少雜散電感，提高系統的抑制過電壓能力。