中心議題：

• IGBT並聯均流設計
• 母線排低電感結構設計
• 優化後母線排仿真與實驗結果

1 引言

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dv/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製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）由於開關頻率越來越高
，其母線排的高頻模型變得非常重要。在文獻［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範圍比較狹窄
，而且缺乏工程實用性。
（2）改(gai)變(bian)母(mu)線(xian)排(pai)形(xing)狀(zhuang)以(yi)實(shi)現(xian)低(di)電(dian)感(gan)。有(you)文(wen)獻(xian)采(cai)用(yong)給(gei)現(xian)有(you)母(mu)線(xian)排(pai)開(kai)狹(xia)長(chang)形(xing)缺(que)口(kou)的(de)方(fang)法(fa)以(yi)改(gai)變(bian)電(dian)流(liu)流(liu)向(xiang)，但(dan)其(qi)減(jian)少(shao)母(mu)排(pai)電(dian)感(gan)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)值(zhi)得(de)懷(huai)疑(yi)，因(yin)為(wei)母(mu)線(xian)排(pai)內(nei)的(de)孔(kong)洞(dong)造(zao)成(cheng)的(de)渦(wo)流(liu)損(sun)耗(hao)和(he)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)可(ke)能(neng)反(fan)而(er)會(hui)增(zeng)加(jia)母(mu)線(xian)排(pai)的(de)電(dian)感(gan)。

本文從實際出發，針對80kva/400a變流係統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，緩衝吸收電路選擇等方麵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。

2 igbt並聯均流設計

隨著市場對兆瓦級大功率變流器的需求激增，目前igbt並聯方案已成為一種趨勢。因為igbt並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（這取決於器件及類型）。通過將小功率igbt模塊（包括分立式igbt）、大功率igbt模塊進行並聯組合，可獲得不同額定電流的等效模塊

，而且實現並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，其並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1所示。並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，這有益於提高熱循環周次。因此，igbt並聯是大功率設計應用的最佳解決方案之一。

然而，並聯igbt之zhi間jian靜jing態tai與yu動dong態tai性xing能neng的de差cha異yi會hui影ying響xiang均jun流liu，使shi得de輸shu出chu電dian流liu不bu得de不bu被bei降jiang額e。而er且qie電dian流liu分fen布bu不bu均jun勻yun會hui導dao致zhi雜za散san電dian感gan參can數shu增zeng大da
，由you於yu直zhi流liu環huan節jie的de雜za散san電dian感gan，在zaiigbt關斷時會出現過電壓，可能導致模塊損壞。從均流角度方麵來看
，並聯設計好壞對降額起關鍵性的作用，且遠大於igbt自身參數差異性所引起的問題。因此，並聯應重點考慮如何通過設計確保均流。有文獻說明了影響igbt均流的五個重要因素。並聯設計應該集中在這些因素上麵以優化驅動回路
、功率換流回路、模塊布局以及冷卻條件等，其目的是確保每個並聯支路盡可能實現對稱。較多文獻提供了igbt均流措施，igbt生產廠商也會提供相應的技術支持，在此不再贅述。

3 母線排低電感結構設計

3.1 疊層母線排結構
由you鄰lin近jin效xiao應ying原yuan理li可ke知zhi，某mou一yi導dao體ti的de高gao頻pin電dian流liu在zai鄰lin近jin的de導dao體ti層ceng會hui形xing成cheng輻fu射she幹gan擾rao電dian流liu。對dui於yu雙shuang層ceng銅tong排pai，當dang電dian流liu源yuan路lu徑jing與yu地di平ping麵mian互hu相xiang疊die層ceng並bing使shi間jian距ju滿man足zu絕jue緣yuan層ceng厚hou度du遠yuan小xiao於yu母mu排pai寬kuan度du時shi
，高gao頻pin電dian流liu將jiang主zhu要yao分fen布bu在zai兩liang塊kuai銅tong排pai相xiang臨lin近jin的de兩liang個ge內nei部bu平ping麵mian上shang，部bu分fen高gao頻pin磁ci場chang可ke以yi相xiang互hu抵di消xiao
，相xiang當dang於yu等deng效xiao減jian小xiao了le回hui路lu電dian感gan。疊die層ceng母mu線xian排pai與yu平ping行xing母mu線xian排pai電dian感gan大da小xiao比bi較jiao如ru圖tu2所示。

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3.2 電流路徑設計
如果連接線路和器件構成一個“回路”，即如圖３shangbanbufensuoshihuilu。huanliuhuilushangdiejiadegeganyingdianyajianghuihezhiliumuxiandianyayiqijiazaigonglvqijianshang

，chanshengguanduandianyajianfeng。jianfengguogaokenengzaochengqijianguoyajichuan、增大開關損耗、加劇共模幹擾
，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。

3.3 電容安排設計
大da功gong率lv器qi中zhong分fen布bu雜za散san電dian感gan的de抑yi製zhi離li不bu開kai緩huan衝chong電dian容rong和he電dian解jie電dian容rong

，出chu於yu成cheng本ben考kao慮lv，一yi般ban選xuan用yong鋁lv電dian解jie電dian容rong支zhi撐cheng母mu線xian直zhi流liu電dian壓ya

，由you於yu其qi耐nai壓ya等deng級ji低di
，需xu要yao大da量liang串chuan並bing聯lian
，連lian接jie線xian路lu上shang的de雜za散san電dian感gan會hui造zao成cheng各ge並bing聯lian電dian容rong間jian高gao頻pin電dian流liu分fen布bu不bu均jun勻yun，距ju離li功gong率lv器qi件jian較jiao近jin的de電dian容rong會hui承cheng受shou高gao於yu額e定ding值zhi的de電dian流liu而er急ji劇ju發fa熱re
，因yin此ci這zhe兩liang者zhe是shi工gong業ye工gong程cheng應ying用yong中zhong的de主zhu要yao問wen題ti。在zai電dian容rong結jie構gou設she計ji中zhong，主zhu要yao影ying響xiang因yin素su分fen別bie是shi：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5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5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6可以看出在母線排表麵電流分布十分均勻
，等效作用降低了電感。

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4 優化後母排仿真與實驗結果

4.1 有限元軟件分析結果
圖7為實際優化後使用的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後，使用有限元分析軟件ansoft對其表麵電流分布進行了仿真。仿真結果如圖8所示。由圖8中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)
，除(chu)母(mu)線(xian)排(pai)開(kai)孔(kong)處(chu)由(you)於(yu)渦(wo)流(liu)效(xiao)應(ying)導(dao)致(zhi)的(de)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)以(yi)外(wai)，整(zheng)個(ge)母(mu)線(xian)排(pai)的(de)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)比(bi)較(jiao)均(jun)勻(yun)


，由(you)此(ci)造(zao)成(cheng)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)經(jing)過(guo)有(you)限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)直(zhi)接(jie)提(ti)取(qu)結(jie)果(guo)為(wei)21nh，可以滿足工業要求。

4.2 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後布局的比較，如圖9所示。實驗使用80kva/400v變流器係統。圖10和圖11為實驗得到的igbt過電壓波形
，其中圖11為采用典型布局的h橋母線排中測得的igbt過電壓波形，圖11為采用優化後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製過電壓效果。

5 結束語

本文以80kva/400a變流器係統為例，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
，縮小係統體積
，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，提高係統的抑製過電壓能力。