中心議題：

• IGBT並聯均流設計
• 母線排低電感結構設計
• 優化後母線排仿真與實驗結果

1 引言

大功率變流器正在被越來越廣泛的應用，其所使用的igbt越來越短的開關時間導致了過高的dv/dt和di/dt，這就導致了分布雜散電感對功率器件關斷特性有更重要的影響。疊層母排技術可以有效抑製igbt的過電壓尖峰。

近年來直流母線排的研究主要有兩個方向：
（1）由於開關頻率越來越高，其母線排的高頻模型變得非常重要。在文獻［3］中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用範圍比較狹窄，而且缺乏工程實用性。
（2）gaibianmuxianpaixingzhuangyishixiandidiangan。youwenxiancaiyonggeixianyoumuxianpaikaixiachangxingquekoudefangfayigaibiandianliuliuxiang，danqijianshaomupaidiangandekekaoxingzhidehuaiyi，yinweimuxianpaineidekongdongzaochengdewoliusunhaohedianliufenbubujunkenengfanerhuizengjiamuxianpaidediangan。

本文從實際出發，針對80kva/400a變流係統h橋母線排提出一種新的優化設計方案，從igbt布局，母排結構設計
，緩衝吸收電路選擇等方麵全方位保證母排電感參數達到最優
，在實際應用中有很好的可行性和可靠性。

2 igbt並聯均流設計

隨著市場對兆瓦級大功率變流器的需求激增，目前igbt並聯方案已成為一種趨勢。因為igbt並聯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（這取決於器件及類型）。通過將小功率igbt模塊（包括分立式igbt）、大功率igbt模塊進行並聯組合，可獲得不同額定電流的等效模塊，而且實現並聯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，其並聯實現可以用不同電路結構的igbt模塊，如半橋“ff”、單個“fz”、四單元“f4”和六單元“fs”，如圖1所示。並聯可降低模塊熱集中，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
，這有益於提高熱循環周次。因此
，igbt並聯是大功率設計應用的最佳解決方案之一。

然而，並聯igbt之(zhi)間(jian)靜(jing)態(tai)與(yu)動(dong)態(tai)性(xing)能(neng)的(de)差(cha)異(yi)會(hui)影(ying)響(xiang)均(jun)流(liu)
，使(shi)得(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)不(bu)得(de)不(bu)被(bei)降(jiang)額(e)。而(er)且(qie)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)會(hui)導(dao)致(zhi)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)參(can)數(shu)增(zeng)大(da)，由(you)於(yu)直(zhi)流(liu)環(huan)節(jie)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)
，在(zai)igbt關斷時會出現過電壓，可能導致模塊損壞。從均流角度方麵來看

，並聯設計好壞對降額起關鍵性的作用，且遠大於igbt自身參數差異性所引起的問題。因此，並聯應重點考慮如何通過設計確保均流。有文獻說明了影響igbt均流的五個重要因素。並聯設計應該集中在這些因素上麵以優化驅動回路、功率換流回路
、模塊布局以及冷卻條件等，其目的是確保每個並聯支路盡可能實現對稱。較多文獻提供了igbt均流措施
，igbt生產廠商也會提供相應的技術支持，在此不再贅述。

3 母線排低電感結構設計

3.1 疊層母線排結構
youlinjinxiaoyingyuanlikezhi，mouyidaotidegaopindianliuzailinjindedaoticenghuixingchengfusheganraodianliu。duiyushuangcengtongpai

，dangdianliuyuanlujingyudipingmianhuxiangdiecengbingshijianjumanzujueyuancenghouduyuanxiaoyumupaikuandushi
，gaopindianliujiangzhuyaofenbuzailiangkuaitongpaixianglinjindelianggeneibupingmianshang，bufengaopincichangkeyixianghudixiao
，xiangdangyudengxiaojianxiaolehuiludiangan。diecengmuxianpaiyupingxingmuxianpaidiangandaxiaobijiaorutu2所示。

[page]
3.2 電流路徑設計
如果連接線路和器件構成一個“回路”
，即如圖３shangbanbufensuoshihuilu。huanliuhuilushangdiejiadegeganyingdianyajianghuihezhiliumuxiandianyayiqijiazaigonglvqijianshang
，chanshengguanduandianyajianfeng。jianfengguogaokenengzaochengqijianguoyajichuan、增大開關損耗、加劇共模幹擾
，甚至帶來局部放電的危險。因此，在母線排結構設計中

，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(da)功(gong)率(lv)器(qi)中(zhong)分(fen)布(bu)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)的(de)抑(yi)製(zhi)離(li)不(bu)開(kai)緩(huan)衝(chong)電(dian)容(rong)和(he)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)，出(chu)於(yu)成(cheng)本(ben)考(kao)慮(lv)
，一(yi)般(ban)選(xuan)用(yong)鋁(lv)電(dian)解(jie)電(dian)容(rong)支(zhi)撐(cheng)母(mu)線(xian)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)，由(you)於(yu)其(qi)耐(nai)壓(ya)等(deng)級(ji)低(di)
，需(xu)要(yao)大(da)量(liang)串(chuan)並(bing)聯(lian)
，連(lian)接(jie)線(xian)路(lu)上(shang)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)會(hui)造(zao)成(cheng)各(ge)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)間(jian)高(gao)頻(pin)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)，距(ju)離(li)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)較(jiao)近(jin)的(de)電(dian)容(rong)會(hui)承(cheng)受(shou)高(gao)於(yu)額(e)定(ding)值(zhi)的(de)電(dian)流(liu)而(er)急(ji)劇(ju)發(fa)熱(re)，因(yin)此(ci)這(zhe)兩(liang)者(zhe)是(shi)工(gong)業(ye)工(gong)程(cheng)應(ying)用(yong)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)問(wen)題(ti)。在(zai)電(dian)容(rong)結(jie)構(gou)設(she)計(ji)中(zhong)，主(zhu)要(yao)影(ying)響(xiang)因(yin)素(su)分(fen)別(bie)是(shi)：電容端子設計方向、電容串聯結構設計。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，而電容采用無環路串聯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母排電流的有限元分析，由圖6可以看出在母線排表麵電流分布十分均勻，等效作用降低了電感。

[page]
4 優化後母排仿真與實驗結果

4.1 有限元軟件分析結果
圖7為實際優化後使用的h橋母線排結構
，在考慮到電流路徑和電容端子方向及其他優化方式後，使用有限元分析軟件ansoft對其表麵電流分布進行了仿真。仿真結果如圖8所示。由圖8中(zhong)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，除(chu)母(mu)線(xian)排(pai)開(kai)孔(kong)處(chu)由(you)於(yu)渦(wo)流(liu)效(xiao)應(ying)導(dao)致(zhi)的(de)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)不(bu)均(jun)勻(yun)以(yi)外(wai)
，整(zheng)個(ge)母(mu)線(xian)排(pai)的(de)電(dian)流(liu)分(fen)布(bu)比(bi)較(jiao)均(jun)勻(yun)，由(you)此(ci)造(zao)成(cheng)的(de)雜(za)散(san)電(dian)感(gan)經(jing)過(guo)有(you)限(xian)元(yuan)軟(ruan)件(jian)直(zhi)接(jie)提(ti)取(qu)結(jie)果(guo)為(wei)21nh
，可以滿足工業要求。

4.2 實驗驗證結果
本節主要通過實驗進行典型布局下的母線排igbt過電壓波形與采用優化後布局的比較，如圖9所示。實驗使用80kva/400v變流器係統。圖10和圖11為實驗得到的igbt過電壓波形
，其中圖11為采用典型布局的h橋母線排中測得的igbt過電壓波形，圖11為采用優化後布局的母線排中測得的igbt過電壓波形。由圖中可以看出新型母線排布局有良好的抑製過電壓效果。

5 結束語

本文以80kva/400a變流器係統為例，設計了一種新型的疊層母排
，得到了以下結論：
（1）新型疊層母線的應用使得各器件具有良好的關斷特性，可以減少吸收電容的使用個數，縮小係統體積，具有良好的電磁兼容特性；
（2）疊層母線的布局中應注意電流路徑、電容端子布局等問題，可以有效的減少雜散電感
，提高係統的抑製過電壓能力。