針對(duì)80kva/400a變流系統(tǒng)h橋母線排的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案介紹

1 引言

大功率變流器正在被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其所使用的igbt越來(lái)越短的開關(guān)時(shí)間導(dǎo)致了過(guò)高的dv/dt和di/dt，這就導(dǎo)致了分布雜散電感對(duì)功率器件關(guān)斷特性有更重要的影響。疊層母排技術(shù)可以有效抑制igbt的過(guò)電壓尖峰。

近年來(lái)直流母線排的研究主要有兩個(gè)方向：

（1）由于開關(guān)頻率越來(lái)越高，其母線排的高頻模型變得非常重要。在文獻(xiàn)［3］中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(guò)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(yīng)用范圍比較狹窄，而且缺乏工程實(shí)用性。

（2）改變母線排形狀以實(shí)現(xiàn)低電感。有文獻(xiàn)采用給現(xiàn)有母線排開狹長(zhǎng)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?yàn)槟妇€排內(nèi)的孔洞造成的渦流損耗和電流分布不均可能反而會(huì)增加母線排的電感。

本文從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)80kva/400a變流系統(tǒng)h橋母線排提出一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從igbt布局，母排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緩沖吸收電路選擇等方面全方位保證母排電感參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，在實(shí)際應(yīng)用中有很好的可行性和可靠性。

2 igbt并聯(lián)均流設(shè)計(jì)

隨著市場(chǎng)對(duì)兆瓦級(jí)大功率變流器的需求激增，目前igbt并聯(lián)方案已成為一種趨勢(shì)。因?yàn)閕gbt并聯(lián)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(jià)比（這取決于器件及類型）。通過(guò)將小功率igbt模塊（包括分立式igbt）、大功率igbt模塊進(jìn)行并聯(lián)組合，可獲得不同額定電流的等效模塊，而且實(shí)現(xiàn)并聯(lián)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率單元為例，其并聯(lián)實(shí)現(xiàn)可以用不同電路結(jié)構(gòu)的igbt模塊，如半橋“ff”、單個(gè)“fz”、四單元“f4”和六單元“fs”，如圖1所示。并聯(lián)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(huán)周次。因此，igbt并聯(lián)是大功率設(shè)計(jì)應(yīng)用的最佳解決方案之一。

然而，并聯(lián)igbt之間靜態(tài)與動(dòng)態(tài)性能的差異會(huì)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(huì)導(dǎo)致雜散電感參數(shù)增大，由于直流環(huán)節(jié)的雜散電感，在igbt關(guān)斷時(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，可能導(dǎo)致模塊損壞。從均流角度方面來(lái)看，并聯(lián)設(shè)計(jì)好壞對(duì)降額起關(guān)鍵性的作用，且遠(yuǎn)大于igbt自身參數(shù)差異性所引起的問(wèn)題。因此，并聯(lián)應(yīng)重點(diǎn)考慮如何通過(guò)設(shè)計(jì)確保均流。有文獻(xiàn)說(shuō)明了影響igbt均流的五個(gè)重要因素。并聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)該集中在這些因素上面以優(yōu)化驅(qū)動(dòng)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(gè)并聯(lián)支路盡可能實(shí)現(xiàn)對(duì)稱。較多文獻(xiàn)提供了igbt均流措施，igbt生產(chǎn)廠商也會(huì)提供相應(yīng)的技術(shù)支持，在此不再贅述。

3 母線排低電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 疊層母線排結(jié)構(gòu)

由鄰近效應(yīng)原理可知，某一導(dǎo)體的高頻電流在鄰近的導(dǎo)體層會(huì)形成輻射干擾電流。對(duì)于雙層銅排，當(dāng)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(yuǎn)小于母排寬度時(shí)，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個(gè)內(nèi)部平面上，部分高頻磁場(chǎng)可以相互抵消，相當(dāng)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。

3.2 電流路徑設(shè)計(jì)

如果連接線路和器件構(gòu)成一個(gè)“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(yīng)電壓將會(huì)和直流母線電壓一起加在功率器件上，產(chǎn)生關(guān)斷電壓尖峰。尖峰過(guò)高可能造成器件過(guò)壓擊穿、增大開關(guān)損耗、加劇共模干擾，甚至帶來(lái)局部放電的危險(xiǎn)。因此，在母線排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量避免回路或者保持電流回路交叉。

3.3 電容安排設(shè)計(jì)

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(jí)低，需要大量串并聯(lián)，連接線路上的雜散電感會(huì)造成各并聯(lián)電容間高頻電流分布不均勻，距離功率器件較近的電容會(huì)承受高于額定值的電流而急劇發(fā)熱，因此這兩者是工業(yè)工程應(yīng)用中的主要問(wèn)題。在電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要影響因素分別是：電容端子設(shè)計(jì)方向、電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖4分別測(cè)量了不同電容端子設(shè)計(jì)電感的值，圖5給出了典型設(shè)計(jì)方案和主流低電感設(shè)計(jì)方案中電容串聯(lián)方式的不同。從圖5中可以得出這樣的結(jié)論，電容端子的方向?qū)﹄姼杏休^大影響，而電容采用無(wú)環(huán)路串聯(lián)方式可以極大的降低母排電感。圖6給出了電容端子設(shè)計(jì)良好時(shí)母排電流的有限元分析，由圖6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。

4 優(yōu)化后母排仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 有限元軟件分析結(jié)果

圖7為實(shí)際優(yōu)化后使用的h橋母線排結(jié)構(gòu)，在考慮到電流路徑和電容端子方向及其他優(yōu)化方式后，使用有限元分析軟件ansoft對(duì)其表面電流分布進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。由圖8中可以看出，除母線排開孔處由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致的電流分布不均勻以外，整個(gè)母線排的電流分布比較均勻，由此造成的雜散電感經(jīng)過(guò)有限元軟件直接提取結(jié)果為21nh，可以滿足工業(yè)要求。

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

本節(jié)主要通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行典型布局下的母線排igbt過(guò)電壓波形與采用優(yōu)化后布局的比較，如圖9所示。實(shí)驗(yàn)使用80kva/400v變流器系統(tǒng)。圖10和圖11為實(shí)驗(yàn)得到的igbt過(guò)電壓波形，其中圖11為采用典型布局的h橋母線排中測(cè)得的igbt過(guò)電壓波形，圖11為采用優(yōu)化后布局的母線排中測(cè)得的igbt過(guò)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(guò)電壓效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以80kva/400a變流器系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一種新型的疊層母排，得到了以下結(jié)論：

（1）新型疊層母線的應(yīng)用使得各器件具有良好的關(guān)斷特性，可以減少吸收電容的使用個(gè)數(shù)，縮小系統(tǒng)體積，具有良好的電磁兼容特性；

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