基于Ansys的低電感疊層母排設(shè)計

陳 靜

（淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安 223300）

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基于Ansys的低電感疊層母排設(shè)計

陳 靜

（淮陰師范學院物理與電子電氣工程學院，江蘇 淮安 223300）

針對功率開關(guān)關(guān)斷過電壓和EMI危害，本文從減小回路雜散電感出發(fā)，闡述了疊層母排在功率變換器中應(yīng)用優(yōu)勢及數(shù)學模型。然后，基于電磁場理論，提出回路面積最小化無感母排設(shè)計原則，并進行 H橋逆變器疊層母排結(jié)構(gòu)設(shè)計。最后，Ansys有限元仿真結(jié)果表明了設(shè)計方法的合理性。

疊層母排；低電感；過電壓；H橋逆變器；EMI

目前，功率變換器廣泛應(yīng)用于工業(yè)電機拖動場合，為了實現(xiàn)高性能的電機控制策略，采用高速的開關(guān)頻率。以 IGBT為代表的功率開關(guān)器件快速關(guān)斷過程中，由于高di/dt和互連母線、器件雜散電感的存在，產(chǎn)生器件關(guān)斷過電壓Uov：

式中，isw為器件開關(guān)電流；Lstray為換流回路雜散電感。

該尖峰電壓既是系統(tǒng)功率變換器主要EMI干擾源之一，又會導致器件開關(guān)損耗增加[1]。因此，功率變換器整機結(jié)構(gòu)設(shè)計時，為了降低換流回路雜散電感Lstray，抑制關(guān)斷過電壓，普遍采用疊層母排結(jié)構(gòu)作為連接導線[2]。

1　疊層母排的基本結(jié)構(gòu)

所謂疊層母排，就是將多層又寬又薄的矩形銅排疊壓在一起，中間采用絕緣材料相隔離，如圖 1所示。圖中功率開關(guān)（如 IGBT模塊）、電容器、散熱器等，利用螺栓連接在疊層母排。

圖1　疊層母線基本結(jié)構(gòu)

使用疊層母排代替電纜連接方式，具有獨特的應(yīng)用優(yōu)勢[3]：

1）減少寄生電感。扁平的矩形結(jié)構(gòu)可以有效減少自感，而層疊的多層銅排中若流過反方向的電流，則可以相互抵消產(chǎn)生的磁場，減少互感。

2）降低空間EMI。通過合理設(shè)計器件的位置，大面積的母線排不但可以改善器件電壓波形，降低傳導電磁干擾，而且可以屏蔽空間輻射干擾。

3）改善系統(tǒng)散熱性能。又薄又寬的導體有利于空氣的流動，而且由于疊層母線結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間尺寸小，便于系統(tǒng)散熱設(shè)計。

4）降低生產(chǎn)成本，提高系統(tǒng)可靠性。一體化的結(jié)構(gòu)減少了煩瑣的連線，使電力電子裝置具有簡潔可靠的結(jié)構(gòu)，便于批量生產(chǎn)和裝配，降低人工成本。

2　疊層母排的數(shù)學模型

假設(shè)兩層疊層母排基本參數(shù)：長度l、寬度w、平板的厚度t和間距d。功率變換器的最高工作頻率與功率開關(guān)關(guān)斷時電流下降時間有關(guān)。現(xiàn)代 IGBT器件典型下降時間為40ns，則最高開關(guān)頻率fc和相應(yīng)波長λ為

波長的1/4約為19m，遠大于一般母線長度，因此可用集總參數(shù)描述數(shù)學模型，如圖2所示[3]。

圖2　兩層疊層母排等效電路

1）電感L：總電感為內(nèi)電感和外電感之和。

內(nèi)電感Li由導體自身磁鏈產(chǎn)生，與導體流過的電流頻率有關(guān)。外電感Le與電流頻率無關(guān)，由導體幾何結(jié)構(gòu)和相對位置決定。

如果 d＜＜2t且 d＜＜t+w，t＜＜w，則外電感計算為

2）電阻R：包括直流電阻及交流電阻。

3）電容C：增加電容可抑制信號和消除噪聲。

4）電導G：隨頻率和環(huán)境溫度、濕度變化。

5）特性阻抗Z：減小Z，可抑制電磁干擾。

式中，ρ為電阻率；εr為相對介電常數(shù)；μr為相對磁導率；σ為電介質(zhì)電導率。其中，真空磁導率μ0=4π×10?7H/m ，銅的相對磁導率μr=1，銅的電導率ρ=5.8×107S/m 。

3　疊層母排低電感結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)電磁場理論及磁場疊加原理，當上下兩層導體通入大小相等、方向相反的電流時，空間某點處的磁感應(yīng)強度是這兩個載流導體單獨存在時產(chǎn)生的磁感應(yīng)強度的矢量和[4]。根據(jù)右手定則，電流反向時，導體周圍空間的磁場相互抵消，主要分布在導體之間。因此，根據(jù)功率變換器電路結(jié)構(gòu)及換流過程，進行合理的尺寸和布局設(shè)計，可實現(xiàn)疊層母排雜散電感最小化[5]，同時滿足的兩個條件如下：

1）電路換流時，必須有同一頻率的高頻電流流過所有參與換流的銅排。

2）上下疊層母排電流流向必須相反，即形成雙向鏡像回路，且換流回路包圍的面積應(yīng)盡量小。

兩電平H橋逆變器主電路如圖3所示，由4個IGBT構(gòu)成。實際電路中，同橋臂兩個IGBT器件通常選用雙管IGBT，可忽略掉上下器件連接電感。為滿足條件1），使用正、負兩塊銅母排疊層，連接兩個 IGBT模塊。以 S1和 S2換流過程為例分析：當S1關(guān)斷、S2開通時，該換流回路可看作僅由正、負兩塊銅排構(gòu)成。此時上下兩層銅排中，流過電流大小相等、方向相反，即滿足了條件2）。因此，采用疊層母排結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了H橋逆變器換流回路雜散電感的最小化。

圖3　H橋逆變器基本換流回路

4　仿真

利用有限元仿真軟件 Ansys，設(shè)置仿真參數(shù)：正、負兩層矩形銅排采用疊層結(jié)構(gòu)，寬w=100mm，厚t=2mm，間距d=1mm，材料為銅。采用諧波分析，頻率50Hz，加載電流密度：5000A/m2。正負母排分別加載同向電流和反向電流時，導體周圍磁力線和磁場強度分布如圖4和圖5所示。

圖4　電流同向時的磁場分布情況

圖5　電流反向時的磁場分布情況

仿真對比得出：H橋逆變器中，若采用正、負兩塊母排上下疊層放置，則器件換流時，會在上下母排產(chǎn)生大小相等、方向相反的電流，該電流使得導體外部磁場分散且較小，磁場集中分布在兩導體之間，而疊層導體之間的磁場強度遠比非疊層時低得多，極大的削弱了換流回路的雜散電感。因此，通過上下母排的疊層設(shè)計，盡量縮短換流回路包圍的面積；同時參考母排數(shù)學模型，進行合理尺寸設(shè)計，盡量縮小母排間距，可降低換流回路的雜散電感，從而抑制功率器件關(guān)斷過電壓。

5　結(jié)論

本文提出的疊層母排低電感設(shè)計方法，根據(jù)電路換流路徑和合理布局設(shè)計，在上下銅排中形成雙向電流路徑，可有效降低回路雜散電感，為疊層母排在大功率變換器中的進一步應(yīng)用提供了設(shè)計思路和參考價值。

[1] 白保東, 陳晨, 張士軍, 等. 隔爆一體式變頻電機的層疊母線設(shè)計[J]. 沈陽工業(yè)大學學報, 2010, 32(1): 1-5, 10.

[2] 易榮, 趙爭鳴, 袁立強. 高壓大容量變換器中母排的優(yōu)化設(shè)計[J]. 電工技術(shù)學報, 2008, 23(8): 94-100.

[3] 汪鋆. 基于IGBT的750kVA三相二極管箝位型三電平通用變流模塊設(shè)計[D]. 杭州: 浙江大學, 2010.

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[5] Zhiqiang Wang, Guozhu Chen. Study on planar busbar regarding stray inductance minimization and oscillation supperesion for high power converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 10: 37-42.

Design of Low-Inductance Laminated Busbar based on Ansys

Chen Jing
(School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian, Jiangsu 223300)

To the harm of power switch shut-off over-voltage and EMI, this paper introduces the advantages and mathematical model of laminated busbar applied in power converter, which can reduce circuit stray inductance. Then, based on electromagnetic field theory, design principles of a non-inductance busbar structure were proposed by minimizing loop area, and H-bridge inverter laminated bus structure was designed. Finally, the results of Ansys finite element simulation show that the rationality of design method.

laminated busbar; low inductance; over-voltage; H-bridge inverter; EMI

陳 靜（1986-），女，江蘇淮安人，碩士研究生，講師，主要從事電力電子與電力傳動方向研究。