大功率脈沖電能變換器功率模塊疊層母排設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

杜立天，彭俊榮，尹斌傳

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大功率脈沖電能變換器功率模塊疊層母排設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究

杜立天1，彭俊榮1，尹斌傳1

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢430064）

通過(guò)分析疊層母排設(shè)計(jì)的基本原理，對(duì)大功率脈沖電能變換器功率模塊疊層母排的設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行了研究。論文依據(jù)母排結(jié)構(gòu)對(duì)雜散電感的影響，明確了疊層母排設(shè)計(jì)和優(yōu)化的原則，并運(yùn)用到大功率脈沖電能變換器的疊層母排設(shè)計(jì)中。最后通過(guò)軟件仿真分析，驗(yàn)證了母排設(shè)計(jì)原則的可行性及大功率脈沖電能變換器疊層母排設(shè)計(jì)的合理性。

疊層母排 大功率 脈沖電能變換器 雜散電感

0 引言

隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體器件技術(shù)發(fā)展，IGBT開(kāi)關(guān)速度目前可以達(dá)到μs級(jí)。若線(xiàn)路雜散電感較大，在IGBT兩端會(huì)產(chǎn)生很大的開(kāi)關(guān)電壓尖峰，導(dǎo)致半導(dǎo)體器件承受的電壓應(yīng)力超過(guò)器件安全工作區(qū)而損壞。功率模塊結(jié)構(gòu)中雜散電感由直流母線(xiàn)電容的串聯(lián)電感、半導(dǎo)體器件內(nèi)部的雜散電感、連接螺絲的雜散電感以及疊成母排的雜散電感組成，而前三部分的雜散電感是難以改變的，故需降低疊層母排上的雜散電感。

疊層母排設(shè)計(jì)與優(yōu)化是整個(gè)變換器設(shè)計(jì)較為重要的一環(huán)，疊層母排雜散電感將直接影響IGBT開(kāi)關(guān)器件的使用效果，也進(jìn)而影響其輸出電氣性能與電力裝置的電磁兼容問(wèn)題。閱讀大量文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)已經(jīng)有很多重要的疊層母排設(shè)計(jì)方法[1-3]。以這些設(shè)計(jì)方法為基礎(chǔ)，對(duì)影響疊層低感母排電感的因素進(jìn)行分析，然后對(duì)大功率脈沖電能變換器功率模塊疊層母排進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 疊層母排設(shè)計(jì)基本原理

疊層母排由多層銅板構(gòu)成且銅板之間用高絕緣材料隔開(kāi)，相比于非疊層母排具有空間緊湊、雜散電感小等優(yōu)點(diǎn)，在大功率電能變換器中得到大量運(yùn)用。在確定電能變換器設(shè)計(jì)功率等級(jí)、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、器件選擇等具體要求且完成變換器整體布局后，就可以開(kāi)始設(shè)計(jì)疊層母排。變換器疊層母排設(shè)計(jì)要求雜散電感小，有一定的電磁兼容性，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高，維護(hù)方便等。

疊層母排設(shè)計(jì)中除了設(shè)計(jì)母排尺寸之外，還得考慮IGBT開(kāi)關(guān)時(shí)在母排內(nèi)流過(guò)高頻交流電流時(shí)產(chǎn)生的趨膚效應(yīng)和接近效應(yīng)，使電流集中在母排接觸面上，合理設(shè)計(jì)可以使產(chǎn)生的部分磁場(chǎng)相互抵消，磁場(chǎng)的相互抵消作用就越明顯，寄生電感就越低。

圖1疊層母排結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中上下兩層銅板尺寸相同，單層長(zhǎng)寬高分別為為a、b、c，絕緣層厚度為h，電流在趨膚效應(yīng)下產(chǎn)生的趨膚深度為：

疊層母排等效集中參數(shù)為：

2 疊層母排設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 三層疊層母排空間放置順序的影響

回路中電流方向是相對(duì)的，可通過(guò)改變母排疊放次序改變連接端子，進(jìn)而改變電流路徑。三層疊層母排中三層銅板分別是正極板、負(fù)極板、連接板，對(duì)不同連接端子位置的回路模型進(jìn)行分析。模型中，疊層母排長(zhǎng)度400 mm，寬度200 mm，導(dǎo)體厚度1 mm，絕緣層1 mm。下面圖2是母排3D結(jié)構(gòu)模型示意圖，圖3指出了疊層母排的電流方向。

圖2三層排3D側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖

（a）第一種連接方式(b)第二種連接方式

圖3母排中電流的流向示意圖

第一種連接方法是以上層銅板為連接板，中間與下層板為正負(fù)極板；第二種連接方法是以中間層為連接板，其他兩層為正負(fù)極板，可知連接方法的不同會(huì)導(dǎo)致疊層母排的放置布局不同。用Ansoft Q3D對(duì)兩種連接方法仿真，計(jì)算回路雜散電感，結(jié)果如下：

由表可知第二種連接方法中母排獲得的雜散電感低。說(shuō)明采用三層疊層母排的連接板放在中間層時(shí)，母排整體回路雜散電感更小。

2.2 器件在母排上位置布局的影響

合理的器件位置布局可以改變電流的流經(jīng)路徑，在上下母排電流之間產(chǎn)生互感且由于路徑的不同而疊加或抵消。以IGBT為例，其連接點(diǎn)間布局一般采用橫向與縱向的布局方式。而連接層截面積較正負(fù)極層小，電流密度大，其產(chǎn)生的電流互感效應(yīng)在局部效果大，若IGBT連接點(diǎn)如圖4則為縱向放置，若IGBT連接點(diǎn)如圖5則為橫向放置，用Ansoft Q3D對(duì)其進(jìn)行仿真分析，模型：下層與中間層為正、負(fù)極銅板長(zhǎng)150 mm、寬80 mm、厚1 mm，中間絕緣層厚1 mm，上層連接板長(zhǎng)、寬都是30 mm、厚1 mm。

圖4器件連接點(diǎn)縱向放置疊層母排上電流路徑圖

圖5器件連接點(diǎn)橫向放置疊層母排上電流路徑圖

由仿真結(jié)果電流路徑圖4、圖5分析，在連接板形狀相同情況下，改變連接點(diǎn)位置即改變IGBT連接點(diǎn)放置方向，在連接板區(qū)域電流路徑有很大差別。在連接點(diǎn)橫向放置時(shí)，連接板區(qū)域的三層電流矢量大小相等方向相反的重合度比縱向放置高，因此互感相互抵消效果更明顯，仿真分析結(jié)果如下表：

從上表可驗(yàn)證前面對(duì)電流路徑的互感影響分析正確，故在器件連接點(diǎn)采用橫向放置時(shí)，疊層母排的低感效果更明顯，雜散電感更小。該結(jié)論對(duì)于其它器件連接點(diǎn)的放置方向一樣適用，譬如直流側(cè)支撐電容、二極管等。

在疊層母排長(zhǎng)寬高及絕緣層厚度確定的情況下，需使設(shè)計(jì)的母排電流路徑短，在上下母排流過(guò)的電流路徑要盡量上下平行重合，且各對(duì)應(yīng)點(diǎn)上電流矢量大小相等、方向相反，在疊層母排間形成鏡像回路，導(dǎo)體周?chē)臻g磁場(chǎng)相互抵消，來(lái)降低雜散電感。

3 電能變換器疊層母排實(shí)例分析

3.1 大功率脈沖電能變換器功率模塊結(jié)構(gòu)

大功率脈沖電能變換器功率模塊的電氣主回路為三相全橋，每半個(gè)橋壁由兩個(gè)IGBT并聯(lián)，共用12個(gè)IGBT，直流側(cè)支撐電容采用電容器并聯(lián)。其功率模塊由IGBT、支撐電容等電氣器件及連接母排等構(gòu)成。由于大功率脈沖電能變換器有脈沖大電流、瞬間產(chǎn)生大量熱能等工作特點(diǎn)，需在整體空間結(jié)構(gòu)上考慮電氣絕緣性能、散熱性能，并對(duì)電氣連接疊層母排合理設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.2 疊層母排設(shè)計(jì)仿真分析

理論上，母排上的任意地方都可以設(shè)計(jì)連接點(diǎn)，且一般母排的設(shè)計(jì)當(dāng)中，母排的連接點(diǎn)的選取通常只考慮到連接方便、連接距離近以及母排連接點(diǎn)端子制作簡(jiǎn)單等，相應(yīng)設(shè)計(jì)出來(lái)的母排雜散電感很高。故需采用一系列母排優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。如：整個(gè)電流回路路徑與器件連接點(diǎn)成橫向放置，連接板放置于中間層且每個(gè)連接板覆蓋于正負(fù)極板的面積較大，整個(gè)電流路徑由電容器正極連接點(diǎn)流向上橋臂IGBT正極連接點(diǎn)、上橋壁IGBT負(fù)極連接點(diǎn)流向下橋臂IGBT正極連接點(diǎn)、下橋臂IGBT負(fù)極連接點(diǎn)流向電容器負(fù)極三條回路組成，構(gòu)成一條流過(guò)三層板的平行回路路徑，抵消了導(dǎo)體周?chē)拇罅靠臻g磁場(chǎng)。大功率脈沖電能變換器有特殊的脈沖大電流工作特點(diǎn)，母排設(shè)計(jì)要求更為苛刻，除要求極低雜散電感外，還需保證良好的絕緣性能、散熱性能。

優(yōu)化設(shè)計(jì)的三種疊層母排分別為“一”型、“T”型、“Y型”，如下圖6。運(yùn)用Ansoft Q3D 對(duì)這三種疊層母排仿真分析：

圖6三種優(yōu)化的疊層母排3D結(jié)構(gòu)圖（a）“一”型；（b）“T”型；（c）“Y”型.

由表3知，在采用一系列降低雜散電感設(shè)計(jì)方法來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì)疊層母排，回路雜散電感很小，疊層母排的優(yōu)化效果十分顯著，充分驗(yàn)證了母排優(yōu)化設(shè)計(jì)原則的可行性。

3.3 疊層母排雜散電感的影響分析

通過(guò)Matlab/Simulink對(duì)疊層母排中雜散電感在主回路中的影響進(jìn)行仿真分析。仿真參數(shù)：直流電壓800 V，直流側(cè)支撐電容30mF，電容寄生電感LsDR為5 nH，IGBT內(nèi)部等效雜散電感Lsce為3 nH，PWM調(diào)制信號(hào)的載波頻率2 kHz、調(diào)制比0.49、調(diào)制波頻率20 Hz。三相換流回路雜散電感LsA、LsB、LsC都設(shè)置為4 nH。仿真圖如下。

圖7主回路中雜散電感的影響仿真圖

當(dāng)每相換流回路疊層母排的雜散電感L為4nH時(shí)，IGBT的CE兩端電壓峰值為980V。設(shè)計(jì)的三種疊層母排其換流回路雜散電感均小于4nH，則三種疊層母排雜散電感對(duì)IGBT的CE兩端的電壓峰值影響都小于980V。“一”型是三疊層母排，耗費(fèi)材料最多，且功率模塊結(jié)構(gòu)中12個(gè)IGBT平鋪在一塊散熱板上，散熱效率相對(duì)較差；“T”型是兩疊層母排，材料耗費(fèi)少，但12個(gè)IGBT平鋪在一整塊散熱板上，散熱效率較差；“Y”型是兩疊層母排，材料耗費(fèi)少，采用兩塊散熱板各平鋪6個(gè)IGBT，散熱效果較好。篩選比較后選取“Y”型疊層母排的設(shè)計(jì)方案。可知低雜散電感疊層母排保證了IGBT開(kāi)關(guān)電壓尖峰處于較小值，且考慮各種因素來(lái)選取不同形狀疊層母排，驗(yàn)證了大功率脈沖電能變換器疊層母排設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)疊層母排的基本設(shè)計(jì)原理與重要設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，明確了設(shè)計(jì)疊層母排的幾點(diǎn)優(yōu)化方法。由于大功率脈沖電能變換器的工作特點(diǎn)特殊性，功率模塊疊層母排雜散電感相比于一般疊層母排要更小，不僅要從疊層母排本身設(shè)計(jì)要點(diǎn)的角度優(yōu)化，更要從電能變換器整體空間結(jié)構(gòu)布局上優(yōu)化，考慮對(duì)稱(chēng)性、電氣器件間距、耗費(fèi)材料、散熱效果等因素。運(yùn)用Ansoft Q3D仿真分析優(yōu)化設(shè)計(jì)的疊層母排以及Matlab/Simulink仿真分析疊層母排中雜散電感對(duì)功率器件IGBT的CE兩端電壓的影響，驗(yàn)證了母排設(shè)計(jì)原則和大功率脈沖電能變換器疊層母排設(shè)計(jì)的合理性。

[1] 王堯,盛建華.《疊層母排的技術(shù)優(yōu)勢(shì)及其應(yīng)用綜述》[J]. 變頻器世界, 2012, (09): 55-60.

[2] 陳材.《逆變電源主電路分布參數(shù)的分析與優(yōu)化》[D].華中科技大學(xué),2014.

[3] 易榮,趙爭(zhēng)鳴,袁立強(qiáng).《高壓大容量變換器中母排的優(yōu)化設(shè)計(jì)》[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2008, (08): 94-100.

Design and optimization of Laminated Busbar of Power Module for High-power Pulse Power Converter

Du Litian1, Peng Junrong1, Yin Binchuan1

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）

TM921

A

1003-4862（2017）11-0074-04

2017-09-15

杜立天（1991-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。