大功率變流器系統(tǒng)H橋低感疊層母線排設(shè)計

　　摘要：針對80KVA/400A變流器H橋母線排的設(shè)計要求，使用ANSOFT MAXWELL有限元分析軟件比較了不同設(shè)計原則下雜散電感參數(shù)的變化，并提出了一種新型的優(yōu)化母線排結(jié)構(gòu)，較少了IGBT模塊的關(guān)斷過沖電壓，并優(yōu)化了高頻電流的分布。通過仿真和實驗分別證實了新型母線排的良好測試結(jié)果，最后給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實驗波形。

　　關(guān)鍵詞：疊層母線;過電壓;均流;雜散電感;電磁兼容

　　大功率變流器正在被越來越廣泛的應(yīng)用，其所使用的IGBT越來越短的開關(guān)時間導(dǎo)致了過高的du/dt和di/dt，這就導(dǎo)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的過電壓尖峰[1-2]。

　　近年來直流母線排的研究主要有兩個方向。

　　(1) 由于開關(guān)頻率越來越高，母線排的高頻模型變得地位非常重要。在文獻[3-5]等論文中，都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(yīng)用范圍比較狹窄，而且缺乏工程實用性。

　　(2) 改變母線排形狀以實現(xiàn)低電感。文獻[6]中采用給現(xiàn)有母線排開狹長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，因為母線排內(nèi)的孔洞造成的渦流損耗和電流分布不均可能反而會增加母線排的電感。

　　本文從實際出發(fā)，針對80KVA/400A變流系統(tǒng)H橋母線排提出一種新的優(yōu)化設(shè)計方案，從IGBT布局、母排結(jié)構(gòu)設(shè)計、緩沖吸收電路選擇等方面全方位保證母排電感參數(shù)達到最優(yōu)，在實際應(yīng)用中有很好的可行性和可靠性。

　　IGBT并聯(lián)均流設(shè)計

　　隨著市場對兆瓦級大功率變流器需求的激增，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價比(這取決于器件及類型)。通過將小功率IGBT模塊(包括分立式IGBT)、大功率IGBT模塊進行并聯(lián)組合，可獲得不同額定電流的等效模塊，而且實現(xiàn)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(jié)構(gòu)功率單元為例，其并聯(lián)實現(xiàn)可以用不同電路結(jié)構(gòu)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。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(shè)計應(yīng)用的最佳解決方案之一。

　　然而，并聯(lián)IGBT之間靜態(tài)與動態(tài)性能的差異會影響均流，使得輸出電流不得不被降額。而且電流分布不均勻會導(dǎo)致雜散電感參數(shù)增大，由于直流環(huán)節(jié)的雜散電感，在IGBT關(guān)斷時會出現(xiàn)過電壓，可能導(dǎo)致模塊損壞。從均流角度方面，并聯(lián)設(shè)計好壞對降額起關(guān)鍵性的作用，且遠大于IGBT自身參數(shù)差異性所引起的問題。因此，并聯(lián)應(yīng)重點考慮如何通過設(shè)計確保均流。文獻[7]說明了影響IGBT均流的五個重要因素。并聯(lián)設(shè)計應(yīng)該集中在這些因素上面以優(yōu)化驅(qū)動回路、功率換流回路、模塊布局以及冷卻條件等，其目的是確保每個并聯(lián)支路盡可能實現(xiàn)對稱。

　　母線排低電感結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　疊層母線排結(jié)構(gòu)

　　由鄰近效應(yīng)原理可知，某一導(dǎo)體的高頻電流在鄰近的導(dǎo)體層會形成輻射干擾電流。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足絕緣層厚度遠小于母排寬度時，高頻電流將主要分布在兩塊銅排相臨近的兩個內(nèi)部平面上，部分高頻磁場可以相互抵消，相當于等效減小了回路電感[8]。疊層母線排與平行母線排電感大小比較如圖2所示。