80kva/400a大功率變流器系統H橋低感疊層母線(xiàn)排設計

1 引言
大功率變流器正在被越來(lái)越廣泛的應用，其所使用的igbt越來(lái)越短的開(kāi)關(guān)時(shí)間導致了過(guò)高的dv/dt和di/dt，這就導致了分布雜散電感對功率器件關(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[1][2]。
　　近年來(lái)直流母線(xiàn)排的研究主要有兩個(gè)方向：
(1)由于開(kāi)關(guān)頻率越來(lái)越高，其母線(xiàn)排的高頻模型變得非常重要。在文獻[3]中提出了直流母線(xiàn)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(xiàn)排的高頻模型，所得到的母線(xiàn)排模型應用范圍比較狹窄，而且缺乏工程實(shí)用性。
(2)改變母線(xiàn)排形狀以實(shí)現低電感。有文獻采用給現有母線(xiàn)排開(kāi)狹長(cháng)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，因為母線(xiàn)排內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(xiàn)排的電感。
本文從實(shí)際出發(fā)，針對80kva/400a變流系統h橋母線(xiàn)排提出一種新的優(yōu)化設計方案，從igbt布局，母排結構設計，緩沖吸收電路選擇等方面全方位保證母排電感參數達到最優(yōu)，在實(shí)際應用中有很好的可行性和可靠性。

2 igbt并聯(lián)均流設計
隨著(zhù)市場(chǎng)對兆瓦級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。因為igbt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?xún)r(jià)比(這取決于器件及類(lèi)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橋拓撲結構功率單元為例，其并聯(lián)實(shí)現可以用不同電路結構的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)是大功率設計應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 )導致雜散電感參數增大，由于直流環(huán)節的雜散電感，在igbt關(guān)斷時(shí)會(huì )出現過(guò)電壓，可能導致模塊損壞。從均流角度方面來(lái)看，并聯(lián)設計好壞對降額起關(guān)鍵性的作用，且遠大于igbt自身參數差異性所引起的問(wèn)題。因此，并聯(lián)應重點(diǎn)考慮如何通過(guò)設計確保均流。有文獻說(shuō)明了影響igbt均流的五個(gè)重要因素。并聯(lián)設計應該集中在這些因素上面以?xún)?yōu)化驅動(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)現對稱(chēng)。較多文獻提供了igbt均流措施，igbt生產(chǎn)廠(chǎng)商也會(huì )提供相應的技術(shù)支持，在此不再贅述。

3 母線(xiàn)排低電感結構設計
3.1 疊層母線(xiàn)排結構
由鄰近效應原理可知，某一導體的高頻電流在鄰近的導體層會(huì )形成輻射干擾電流。對于雙層銅排，當電流源路徑與地平面互相疊層并使間距滿(mǎn)足絕緣層厚度遠小于母排寬度時(shí)，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個(gè)內部平面上，部分高頻磁場(chǎng)可以相互抵消，相當于等效減小了回路電感。疊層母線(xiàn)排與平行母線(xiàn)排電感大小比較如圖2所示。

圖1 igbt臂或模塊并聯(lián)

圖2 平行母線(xiàn)排與疊層母線(xiàn)排電感比較

3.2 電流路徑設計
如果連接線(xiàn)路和器件構成一個(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電壓將會(huì )和直流母線(xiàn)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(kāi)關(guān)損耗、加劇共模干擾，甚至帶來(lái)局部放電的危險。因此，在母線(xiàn)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
大功率器中分布雜散電感的抑制離不開(kāi)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(xiàn)直流電壓，由于其耐壓等級低，需要大量串并聯(lián)，連接線(xiàn)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)工程應用中的主要問(wèn)題。在電容結構設計中，主要影響因素分別是：電容端子設計方向、電容串聯(lián)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(lián)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(wú)環(huán)路串聯(lián)方式可以極大的降低母排電感。圖6給出了電容端子設計良好時(shí)母排電流的有限元分析，由圖6可以看出在母線(xiàn)排表面電流分布十分均勻，等效作用降低了電感。

圖3 電流路徑對電感的影響

圖4 不同電容端子方向的雜散電感值比較

圖5 典型方案與低電感方案比較

圖6 母排有限元分析

4 優(yōu)化后母排仿真與實(shí)驗結果
4.1 有限元軟件分析結果
圖7為實(shí)際優(yōu)化后使用的h橋母線(xiàn)排結構，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對其表面電流分布進(jìn)行了仿真。仿真結果如圖8所示。由圖8中可以看出，除母線(xiàn)排開(kāi)孔處由于渦流效應導致的電流分布不均勻以外，整個(gè)母線(xiàn)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果為21nh，可以滿(mǎn)足工業(yè)要求。
4.2 實(shí)驗驗證結果
本節主要通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行典型布局下的母線(xiàn)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)驗使用80kva/400v變流器系統。圖10和圖11為實(shí)驗得到的igbt過(guò)電壓波形，其中圖11為采用典型布局的h橋母線(xiàn)排中測得的igbt過(guò)電壓波形，圖11為采用優(yōu)化后布局的母線(xiàn)排中測得的igbt過(guò)電壓波形。由圖中可以看出新型母線(xiàn)排布局有良好的抑制過(guò)電壓效果。

圖7 h橋母線(xiàn)排結構

圖8 疊層母線(xiàn)排表面電流分布

圖9 新型母線(xiàn)排布局

圖10 典型布局母線(xiàn)排中的過(guò)電壓波形

圖11 新型布局母線(xiàn)排中的過(guò)電壓波形

5 結束語(yǔ)
本文以80kva/400a變流器系統為例，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(xiàn)的應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，縮小系統體積，具有良好的電磁兼容特性；
（2）疊層母線(xiàn)的布局中應注意電流路徑、電容端子布局等問(wèn)題，可以有效的減少雜散電感，提高系統的抑制過(guò)電壓能力。