疊層母排結構在交流逆變焊機上的應用

李磊

（山東奧太電氣有限公司，山東濟南 250000）

疊層母排結構在交流逆變焊機上的應用

李磊

（山東奧太電氣有限公司，山東濟南 250000）

本文從疊層母排的低電感優點入手，探討了疊層母排在逆變焊機結構方面具有的巨大優勢，還對其進行了實驗驗證。這更加說明了疊層母排對于焊機結構優化深遠影響。介紹了疊層母排的構成和優點， 對疊層母排技術進行理論分析，針對逆變焊機的電路特點，與傳統銅條方案進行對比分析。最終得出結論：疊層母排結構是如今逆變焊機內部連接結構的發展方向，且隨著逆變焊機市場的飛速發展，發展前景將更加光明。

疊層母排 逆變焊機 理論分析

針對交流逆變焊機，二次逆變模塊、電容等數量多，相互之間連接復雜的特點，本文提出了一種自制疊層母線技術的新型功率母線。通過整機調試證明，這種功率母線很好的實現了設計的目的和意圖，器件運行良好，溫升顯著下降。

1　疊層母排結構的構成和優點

所謂疊層功率母線，是把一個電力電子應用裝置中的所有不同電位的連線以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣材料隔離，各層銅排都在都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣的引出，使所有具有不同電位的端子表露在同一平面上，便于主電路中所有器件與之相連。

主要優點：（1）較低的總體成本；（2）結構緊湊設計，可以節省很大的空間空間；（3）自身具有很低的電感（對于IGB等開關器件，可避免其由于浪涌電壓而引起的擊穿）；（4）大大降低安裝出錯的概率；（5）便于現場的安裝及維修；（6）在相同情況下，與電纜相比，載流能力大大提升；（7）在相同載流的情況下，與電纜相比，其溫升更低；（8）簡潔、美觀。

對于疊層母線來說，最重要的優點是自身的低電感，這是其他母線無法替代的。

2　理論分析

逆變焊機開關浪涌電壓的產生機理，IGBT作為半導體開關器件， 在工作中有斷態、開通、通態 、關斷四種工況，開關電壓尖峰主要產生于IGBT的開關狀態轉換過程中。實際應用中，由于線路中不可避免的存在分布參數，因此，在直流側支撐電容和開關器件之間存在線路分布電感Ls。線路分布電感Ls包括直流側電容的寄生電感、螺栓引腳雜散電感、主回路母線的雜散電感及開關器件IGBT的寄生電感。在T1關斷的瞬間，電感Ls會阻止電流迅速減小，會在Ls兩端感應出瞬態尖峰ΔU，大小由下式決定：ΔU=Ls*di/dt。因此，T1關斷時承受的電壓為Vd+Ls*di/dt，即IGBT開關動作時的電壓電流應力和主回路中的分布電感有著非常重要的關系，IGBT工作在一定的di/dt時，產生的電壓尖峰和分布電感大小就成正比在大功率逆變電路中開關器件需要承受的di/dt可達2kA/μs甚至3kA/μs，因此其浪涌電壓會非常的高，會導致很多嚴重的問題出現，如造成器件過壓（即擊穿IGBT），輸出諧波增加，開關器件的損耗增加，產生嚴重的EMI干擾等。

圖1　

圖2　

對于一定功率的逆變電路來說，其分布電感中包含有直流側電容、螺栓引腳雜散電感、開關器件的寄生電感和主回路母線的雜散電感。由于電容和開關器件的寄生電感由于制作工藝的限制無法降低，因此，分布電感的降低主要依賴于主回路母線的雜散電感的降低。如果采用設計不當的母線會造成雜散電感過高，產生很高的浪涌電壓，這樣會對IGBT及整個電路造成非常嚴重的損壞。而如果采用設計優良的低電感母線，不僅可大幅降低浪涌電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，對于整個系統的成本降低和安全性提高都有很大的幫助。

因此，從降低系統整體成本及增加系統的可靠性、安全性角度考慮，采用疊層母排是非常有必要的。

3　疊層母排結構在交流逆變焊機上的應用

以上我們分析了疊層母線的優點，下面我們舉例說明疊層母線在逆變焊機上的應用效果。

3.1原方案設計，銅條連接

直流母線上的電壓Vd=600V，母線的雜散電感約為760nH，IGBT的平均溫升90度，銅條的平均溫升60度。選用的IGBT額定電壓約為1700V。

具體的結構如圖1。

這樣選用IGBT時必須多留有余量，即選用了額定電壓為1700V的IGBT，并且還需選用額定電壓為1700V，2.0μF的吸收電容來吸收電壓尖峰，這樣才能勉強達到其性能要求。另外，這種結構中風扇采用吹風的形式進行散熱，這對于交流輸出A相的IGBT來說，其熱量會產生堆積，溫升會非常高，這樣會影響其工作的穩定性。并且沒有設計專門的風道，整體的散熱會受到很大的影響。

3.2疊層母排方案

為了將此結構進行簡化，且完全滿足要求，我們采用了疊層母線進行整體設計現設計方案的疊層母排電感為0.3nH左右，遠遠小于原設計方案中母線的電感，這樣可以大幅降低線路的分布電感，避免很高的電壓尖峰出現，可以保護IGBT不被擊穿。并且IGBT的溫升降低20度左右，銅板溫升降低15度；如圖2所示。

4　結語

本文從疊層母排的低電感優點入手，探討了疊層母排在逆變焊機結構方面具有的巨大優勢，還對其進行了實驗驗證。這更加說明了疊層母排對于焊機結構優化深遠影響。它不僅可以提高整個焊機系統安全可靠性，而且可以降低成本，因此疊層母排結構是如今逆變焊機內部連接結構的發展方向，且隨著逆變焊機市場的飛速發展，發展前景將更加光明。

［1］盛全華，周蓉.疊層功率母線［J］.船電技術，2006，2.

［2］呂士斌，章國寶.疊層功率母線在大功率變頻電源上的應用［J］.電子設計工程，2011，19（1）.

［3］王青，盧林輝.功率變換器疊層母排優化設計［J］.電力與能源，2013，34（1）.

李磊（1984—），男，漢，山東濟南人，本科，助理工程師，研究方向：電子產品結構設計。