交流銅排結構對功率模塊并聯均流的影響

宮敏

摘 要：當應用多個小電流絕緣柵的雙級型晶體管模塊時，能夠進行直接并聯，這也是大功率光伏網逆変器設計最為常規的應對方法。在多數IGBT模塊并聯應用下，模塊之間的輸出均流問題就成為了設計的難點。而且，此問題也是決定逆變器可否長久平穩運行的重要因素。基于窩流場角度，深入分析多個IGBT模塊在應用較長交流銅排并聯時，銅排空間結構影響模塊并聯均流的實際原因，并進一步針對IGBT模塊并聯均流轉化為電路問題進行解析，提出有關功率模塊并聯均流的電路模型。

關鍵詞：交流銅排;均流;絕緣柵雙級型晶體管

引言

伴隨著光伏發電產業的快速發展，光伏并網逆變器的容量也在逐漸擴大，但是電力電子逆變裝置的核心器件IGBT的功率模塊單只電流容量卻變的極為有限。一旦并聯IGBT模塊數量增多時，考慮到散熱，模塊的整體布局也會相對分散，這就需要更長的交流銅排在可以將模塊的交流輸出端有效并聯起來，如果交流銅排的長度與尺寸較大時，銅排的空間結構會對IGBT模塊的并聯均流產生極為明顯的影響效果。根據交流銅排空間結構影響模塊均流的因素為基礎，提出有關模塊并聯均流的電路模式設計，這樣能夠更具優勢的協助交流銅排結構設計。

1 IGBT模塊并聯結構應用

面向處于中等功率階級的光伏并網逆變器而言，如果幾個零散的IGBT模塊處于非常緊湊的狀態，并聚集在一起時，可以通過短接銅排將現有模塊的交流輸出端有效并連在一起，這樣就能夠滿足逆變器所輸出電流的應用標準。而對于緊湊型的并聯結構交流，銅排尺寸一般很小，并且結構較為容易產生對稱，而對IGBT并聯均流的影響并不突出。在幾個并聯子單元做出更為復雜的并聯時，需要考慮散熱情況與各種結構原因，各個子單元設計布局會相對分散。所以交流銅排就會呈現出較長的狀態，并且整個空間結構錯綜復雜，銅排也產生了較大的阻抗，面對這樣的現象，銅排結構不合理就會導致銅牌結構內的電流產生不均勻的現象。一旦單臺逆變器功率上升到1.25mw時，IGBT模塊并聯子單元就需要展開二級并聯，如果設計與應用不合理，均流度小于5%的標準，就會存在極為嚴重的均流問題。

2 ?交流銅排結構影響并聯均流的本質原因

2.1交變電流分布和導體空間結構相關

有關光伏并網逆變器來說，主要輸出是Hz的工頻正弦電流。按照電磁場的相關理論，在良導體結構中，紫外線以下頻段均可以忽略位移電流，在導體中，一旦忽略了位移電流，電磁場就會處于一種磁準靜態場的環境中，工頻電流在銅排內的分布狀況，基本屬于磁準靜態范圍。電流面向載流導體的分布情況也具有兩個規律，一個為鄰近效應，另外一個則是集膚效應。

2.2載流導體周圍的金屬對電流分布影響

如果截流導體周圍存在金屬時，交變電力滋生的時變磁場就會在金屬中感應到渦流，渦流也會引發磁場效應，當此磁場反應過來時，就會影響截流導體內的電流分布狀況。

在相對實際的逆變器結構內，金屬外殼或者是金屬箱體是不可忽視的重要組成部分，這些金屬板一般就會分布在截流導體或者是交流銅排的周圍。正是因為金屬板的存在，才會促使銅排內的交變電流分布更加復雜，面對這樣的情況，但要考慮銅排自身的空間結構，還有細致的考慮銅排周圍對金屬板所產生的諸多影響。這也為銅排結構設計帶來了設計上的難度。所以，最佳方案就是應用交流銅排來遠離金屬板或者是相關的金屬結構器件。

3 IGBT模塊并聯電路模型

3.1變流銅排寄生參數提取原理

實際而言，IGBT并聯均流一般只注重了單個銅排內部的電流分布情況，正是因為這樣，能夠將一個銅排等效劃分為簡便的電阻串聯電感模式。這是由于銅排電感與電阻都是通過銅排自身不能忽視的空間結構所導入的，所以他們屬于寄生電感與寄生電阻。

3.2應用較長銅排IGBT模塊并聯電路模型

在以2個半橋模塊的并聯為例下，等效電路模型的3個半橋模塊交流銅排寄生電阻，會分別在半橋模塊的交流銅排匯聚點產生寄生電感，這3個交流銅排每兩個相連就會有所感應。在每個支路上還會形成阻抗，排除銅排引入的寄生電阻與寄生電感之外，還存在IGBT模塊本身攜帶的阻抗。

在應用電磁場仿真軟件時，可以根據情況模擬建立一個實際1.25MW逆變器的中交流銅排3D模型，其激勵電流的頻率為50hz。因為截流導體周圍金屬板會為截流導體磁場分布產生強烈的英雄，所以在模型內部融入了交流銅排的金屬板，環繞在四周，這些金屬板作為逆變器實際運行箱體結構的一個重要組成部分，其材質以Q235材料為主。在以仿真所獲得的3個交流銅排寄生電感矩陣下，其反震出來的3個銅排寄生電阻分別是98?、74?、50?。

3.3優化改進方案

有效獲取到IGBT模塊均流內的電路模型，按照匹配的阻抗，促使每個支路阻抗能夠優化改進到相同的基本思路中，在阻抗很小的支路上增添阻抗，如此就能夠有效改變均流。如果是在銅排結構中套用磁芯，是增添銅排感抗最為簡便的方式。

結束語：綜上所述，在大功率逆變器結構中，IGBT模塊會應用較長的交流銅排并聯，銅排空間結構設計不合理，就會使模塊并聯產生不均流的現象。因此，交流銅排的結構設計必須要以對稱為基本原則，并對IGBT模塊并聯均流電路模型展開細致分析與設計，從各項數據實驗及分析研究下，能夠體現出模塊并聯均流電路模型基本準確。

參考文獻：

[1]馬建林，王莉，阮立剛.基于SiC MOSFET的多芯片并聯功率模塊不均流研究[J].電源學報，2019，17（04）：193-200.

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