IGBT模块低杂散电感叠层母排设计.docx

IGBT模块低杂散电感叠层母排设计叠层母线用于实现电力电子产品中功率电路各组件的电气连接，通过采用正负极平行层叠分布的结构形式降低线路分布电感，从而降低功率元件两端的反向尖峰电压，降低功率器件对电压保护吸收电路的要求，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高了电路的集成度，便于维修维护。叠层母线具有以下优点：（1）低杂散电感，从而减少电压尖峰对元器件的损害，提高（延长）电子元器件的使用寿命；（2）具有最小的阻抗，降低连接组件两端的压降；可以降低系统噪音和电磁干扰、射频干扰；（3）方便安装和现场维护；（4）减少部件数量，增加系统可靠性；（5）简洁、美观。目前BUSBAR已经被广泛应用于电力电子、航空航天、交通运输及军事等领域。功率损耗与杂散电感的影响，VCE, IC, Pv, Eswitch的关系如下图：如果增加开关速度, 将减少开关损耗 Eswitch：杂散电感对关断过程的影响：IGBT在关断时，由于直流环节的杂散电感，两端会出现过电压：加上直流母线电压后可能会导致VceVcemax,从而使IGBT过电压损坏。通过设计低电感的直流环节（较小的Lstray），可以使过电压显著减小。电感：当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中的电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势，这就是自感。两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。母线的电感：电感普遍存在与导电的导体。通常叠层母线（BUSBAR）的物理尺寸是由系统决定的，元器件的位置是由BUSBAR的结构决定的。为了尽量减少电感的影响，而又不会对系统整体装配有大的影响，可以通过缩短导体与导体之间隔开的间距来实现。在系统或者部件允许范围内，导体也应该设计成尽可能的宽。电感估算公式：其中：L=nH，l=导体长度，a=电介质厚度，b=导体宽度电容：电容（或称电容量）是表征电容器存储电荷本领的物理量。我们把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。母线的电容：系统中BUSBAR的正负母线之间由于特殊的结构，有着一定量的电容，BUSBAR的结构通过巧妙处理，使系统按要求执行任务。选择的电容绝缘材料介电常数符合要求，就不需要改变汇流线的结构。不影响系统内部的电感系数来实现电容可变，又要满足电压衰减的绝缘要求。电容估算公式：其中：C=pF,l=导体长度，b=导体宽度，Er=介电常数，a=电介质厚度电流：在单位时间里通过截面的电荷量，叫电流。分为直流和交流。母线的电流：大多应用在直流环境下，母线的额定电流是基于导体在载流时允许的最高温度上升范围的基础上。在这个最高温度下能长期稳定的工作。电流估算公式：其中：I=A；W=导体宽度mm；T=导体厚度mm。铜排与叠层母线的对比：普通的铜排连接，绝缘是靠空间距离来完成的，电气性能差，较多的连接点，可靠性和抗污染能力差。叠层母线有较小的引线电感，绝缘材料绝缘可靠，封边处理污染能力好。导体：在所有金属中导电性能最好的前四种金属按照顺序依次是银、铜、金、铝。BUSBAR用绝缘材料：趋肤效应：趋肤效应又叫集肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫趋肤效应。是电流或电压以频率较高的电子在导体传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中。频率越高，趋肤效应越显著。趋肤效应的应用：考虑到交流电的趋肤效应，为了有效地利用导体材料和便于散热，发电厂的大电流母线常做成槽形或菱形母线；另外在高压输配电线路中，利用钢芯铝绞线代替铝导线，又增加了导线的机械强度，这些都是利用了趋肤效应这个原理。不同结构母排的电流分布及电感：平行铜排的表面电流分布Ls=73.4nH。层叠铜排的表面电流分布Ls=10.6nH。结构设计对杂散电感有显著影响：导体必须平行=电流反并联=没有磁场电流流动没有环路=电流反并联=没有磁场电流流动没有交叉=电流反并联=没有磁场因此，电容的并联更能降低电感。直流母线设计原则：-直流母线+半层，直流母线+/-全层；-直流母线孔要在合适的地方。电容的方向也需要考虑如下对比按照上图结构，对BUSBAR进行仿真，电流分布如下图所示：两个电容串联情况下，电容到功率模块连接方向不同，杂散电感也不同：直流母线良好的布局如下图：不良布局的直流母线如下图：改进后的带低电感的直流母线设计如下图：叠层母排设计举例：1.5MW双馈变流器设计举例：直流母线绝缘层的影响如下：-绝缘层的厚度是重要的；-绝缘层厚度作为附加杂散电感的函数；-绝缘层厚度作为附加高频电容局部放电的函数。母线的电感与母排层间绝缘材料厚度的关系：母排的电感以IGBT和电容之间的距离为函数，母线的电感与导体长度的关系：母线的电感与导体宽度的关系如下图：如果+/-母线平行没有残余区域，“直流母线的宽度”的影响会非常小