大功率變流器系統(tǒng)H橋低感疊層母線排設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)80KVA/400A變流器H橋母線排的設(shè)計(jì)要求，使用ANSOFT MAXWELL有限元分析軟件比較了不同設(shè)計(jì)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(guò)沖電壓，并優(yōu)化了高頻電流的分布。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)分別證實(shí)了新型母線排的良好測(cè)試結(jié)果，最后給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)波形。

　　關(guān)鍵詞：疊層母線;過(guò)電壓;均流;雜散電感;電磁兼容

　　大功率變流器正在被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，其所使用的IGBT越來(lái)越短的開關(guān)時(shí)間導(dǎo)致了過(guò)高的du/dt和di/dt，這就導(dǎo)致了分布雜散電感對(duì)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)直流母線排的研究主要有兩個(gè)方向。

　　(1) 由于開關(guān)頻率越來(lái)越高，母線排的高頻模型變得地位非常重要。在文獻(xiàn)[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(guò)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(shí)用性。

　　(2) 改變母線排形狀以實(shí)現(xiàn)低電感。文獻(xiàn)[6]中采用給現(xiàn)有母線排開狹長(zhǎng)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?yàn)槟妇€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(huì)增加母線排的電感。

　　本文從實(shí)際出發(fā)，針對(duì)80KVA/400A變流系統(tǒng)H橋母線排提出一種新的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從IGBT布局、母排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、緩沖吸收電路選擇等方面全方位保證母排電感參數(shù)達(dá)到最優(yōu)，在實(shí)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(jì)

　　隨著市場(chǎng)對(duì)兆瓦級(jí)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(shì)。 因?yàn)镮GBT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(jià)比(這取決于器件及類型)。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(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)功率單元為例，其并聯(lián)實(shí)現(xiàn)可以用不同電路結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(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(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(shí)會(huì)出現(xiàn)過(guò)電壓，可能導(dǎo)致模塊損壞。從均流角度方面，并聯(lián)設(shè)計(jì)好壞對(duì)降額起關(guān)鍵性的作用，且遠(yuǎn)大于IGBT自身參數(shù)差異性所引起的問(wèn)題。因此，并聯(lián)應(yīng)重點(diǎn)考慮如何通過(guò)設(shè)計(jì)確保均流。文獻(xiàn)[7]說(shuō)明了影響IGBT均流的五個(gè)重要因素。并聯(lián)設(shè)計(jì)應(yīng)該集中在這些因素上面以優(yōu)化驅(qū)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(xiàn)對(duì)稱。

　　母線排低電感結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(huì)形成輻射干擾電流。對(duì)于雙層銅排，當(dāng)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(yuǎn)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(nèi)部平面上，部分高頻磁場(chǎng)可以相互抵消，相當(dāng)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。