大功率变流器系统H桥低感叠层母线排设计

　　摘要：针对80KVA/400A变流器H桥母线排的设计要求，使用ANSOFT MAXWELL有限元分析软件比较了不同设计原则下杂散电感参数的变化，并提出了一种新型的优化母线排结构，较少了IGBT模块的关断过冲电压，并优化了高频电流的分布。通过仿真和实验分别证实了新型母线排的良好测试结果，最后给出了系统结构和实验波形。

　　关键词：叠层母线;过电压;均流;杂散电感;电磁兼容

　　大功率变流器正在被越来越广泛的应用，其所使用的IGBT越来越短的开关时间导致了过高的du/dt和di/dt，这就导致了分布杂散电感对功率器件关断特性有更重要的影响。叠层母排技术可以有效抑制IGBT的过电压尖峰[1-2]。

　　近年来直流母线排的研究主要有两个方向。

　　(1) 由于开关频率越来越高，母线排的高频模型变得地位非常重要。在文献[3-5]等论文中，都提出了直流母线排的高频模型，但是这些文章都采用了较小尺寸器件适用的PEEC方法，通过建立等效电路得到母线排的高频模型，所得到的母线排模型应用范围比较狭窄，而且缺乏工程实用性。

　　(2) 改变母线排形状以实现低电感。文献[6]中采用给现有母线排开狭长形缺口的方法以改变电流流向，但其减少母排电感的可靠性值得怀疑，因为母线排内的孔洞造成的涡流损耗和电流分布不均可能反而会增加母线排的电感。

　　本文从实际出发，针对80KVA/400A变流系统H桥母线排提出一种新的优化设计方案，从IGBT布局、母排结构设计、缓冲吸收电路选择等方面全方位保证母排电感参数达到最优，在实际应用中有很好的可行性和可靠性。

　　IGBT并联均流设计

　　随着市场对兆瓦级大功率变流器需求的激增，目前IGBT并联方案已成为一种趋势。 因为IGBT并联能够提供更高的电流密度、均匀的热分布、灵活布局以及较高的性价比(这取决于器件及类型)。通过将小功率IGBT模块(包括分立式IGBT)、大功率IGBT模块进行并联组合，可获得不同额定电流的等效模块，而且实现并联的连接方式也灵活多样。以高压变频器中广泛采用的H桥拓扑结构功率单元为例，其并联实现可以用不同电路结构的IGBT模块，如半桥“ff”、单个 “fz”、四单元“f4”和六单元“fs”，如图1所示。并联可降低模块热集中，使其获得更加均匀的温度梯度分布，较低的平均散热器温度，这有益于提高热循环周次。因此，IGBT并联是大功率设计应用的最佳解决方案之一。

　　然而，并联IGBT之间静态与动态性能的差异会影响均流，使得输出电流不得不被降额。而且电流分布不均匀会导致杂散电感参数增大，由于直流环节的杂散电感，在IGBT关断时会出现过电压，可能导致模块损坏。从均流角度方面，并联设计好坏对降额起关键性的作用，且远大于IGBT自身参数差异性所引起的问题。因此，并联应重点考虑如何通过设计确保均流。文献[7]说明了影响IGBT均流的五个重要因素。并联设计应该集中在这些因素上面以优化驱动回路、功率换流回路、模块布局以及冷却条件等，其目的是确保每个并联支路尽可能实现对称。

　　母线排低电感结构设计

叠层母线排结构

　　由邻近效应原理可知，某一导体的高频电流在邻近的导体层会形成辐射干扰电流。对于双层铜排，当电流源路径与地平面互相叠层并使间距满足绝缘层厚度远小于母排宽度时，高频电流将主要分布在两块铜排相临近的两个内部平面上，部分高频磁场可以相互抵消，相当于等效减小了回路电感[8]。叠层母线排与平行母线排电感大小比较如图2所示。