基于Ansys的低电感叠层母排设计

陈 静

（淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏 淮安 223300）



基于Ansys的低电感叠层母排设计

陈 静

（淮阴师范学院物理与电子电气工程学院，江苏 淮安 223300）

针对功率开关关断过电压和EMI危害，本文从减小回路杂散电感出发，阐述了叠层母排在功率变换器中应用优势及数学模型。然后，基于电磁场理论，提出回路面积最小化无感母排设计原则，并进行 H桥逆变器叠层母排结构设计。最后，Ansys有限元仿真结果表明了设计方法的合理性。

叠层母排；低电感；过电压；H桥逆变器；EMI

目前，功率变换器广泛应用于工业电机拖动场合，为了实现高性能的电机控制策略，采用高速的开关频率。以 IGBT为代表的功率开关器件快速关断过程中，由于高di/dt和互连母线、器件杂散电感的存在，产生器件关断过电压Uov：

式中，isw为器件开关电流；Lstray为换流回路杂散电感。

该尖峰电压既是系统功率变换器主要EMI干扰源之一，又会导致器件开关损耗增加[1]。因此，功率变换器整机结构设计时，为了降低换流回路杂散电感Lstray，抑制关断过电压，普遍采用叠层母排结构作为连接导线[2]。

1　叠层母排的基本结构

所谓叠层母排，就是将多层又宽又薄的矩形铜排叠压在一起，中间采用绝缘材料相隔离，如图 1所示。图中功率开关（如 IGBT模块）、电容器、散热器等，利用螺栓连接在叠层母排。

图1　叠层母线基本结构

使用叠层母排代替电缆连接方式，具有独特的应用优势[3]：

1）减少寄生电感。扁平的矩形结构可以有效减少自感，而层叠的多层铜排中若流过反方向的电流，则可以相互抵消产生的磁场，减少互感。

2）降低空间EMI。通过合理设计器件的位置，大面积的母线排不但可以改善器件电压波形，降低传导电磁干扰，而且可以屏蔽空间辐射干扰。

3）改善系统散热性能。又薄又宽的导体有利于空气的流动，而且由于叠层母线结构紧凑，占用空间尺寸小，便于系统散热设计。

4）降低生产成本，提高系统可靠性。一体化的结构减少了烦琐的连线，使电力电子装置具有简洁可靠的结构，便于批量生产和装配，降低人工成本。

2　叠层母排的数学模型

假设两层叠层母排基本参数：长度l、宽度w、平板的厚度t和间距d。功率变换器的最高工作频率与功率开关关断时电流下降时间有关。现代 IGBT器件典型下降时间为40ns，则最高开关频率fc和相应波长λ为

波长的1/4约为19m，远大于一般母线长度，因此可用集总参数描述数学模型，如图2所示[3]。

图2　两层叠层母排等效电路

1）电感L：总电感为内电感和外电感之和。

内电感Li由导体自身磁链产生，与导体流过的电流频率有关。外电感Le与电流频率无关，由导体几何结构和相对位置决定。

如果 d＜＜2t且 d＜＜t+w，t＜＜w，则外电感计算为

2）电阻R：包括直流电阻及交流电阻。

3）电容C：增加电容可抑制信号和消除噪声。

4）电导G：随频率和环境温度、湿度变化。

5）特性阻抗Z：减小Z，可抑制电磁干扰。

式中，ρ为电阻率；εr为相对介电常数；μr为相对磁导率；σ为电介质电导率。其中，真空磁导率μ0=4π×10−7H/m ，铜的相对磁导率μr=1，铜的电导率ρ=5.8×107S/m 。

3　叠层母排低电感结构优化设计

根据电磁场理论及磁场叠加原理，当上下两层导体通入大小相等、方向相反的电流时，空间某点处的磁感应强度是这两个载流导体单独存在时产生的磁感应强度的矢量和[4]。根据右手定则，电流反向时，导体周围空间的磁场相互抵消，主要分布在导体之间。因此，根据功率变换器电路结构及换流过程，进行合理的尺寸和布局设计，可实现叠层母排杂散电感最小化[5]，同时满足的两个条件如下：

1）电路换流时，必须有同一频率的高频电流流过所有参与换流的铜排。

2）上下叠层母排电流流向必须相反，即形成双向镜像回路，且换流回路包围的面积应尽量小。

两电平H桥逆变器主电路如图3所示，由4个IGBT构成。实际电路中，同桥臂两个IGBT器件通常选用双管IGBT，可忽略掉上下器件连接电感。为满足条件1），使用正、负两块铜母排叠层，连接两个 IGBT模块。以 S1和 S2换流过程为例分析：当S1关断、S2开通时，该换流回路可看作仅由正、负两块铜排构成。此时上下两层铜排中，流过电流大小相等、方向相反，即满足了条件2）。因此，采用叠层母排结构，实现了H桥逆变器换流回路杂散电感的最小化。

图3　H桥逆变器基本换流回路

4　仿真

利用有限元仿真软件 Ansys，设置仿真参数：正、负两层矩形铜排采用叠层结构，宽w=100mm，厚t=2mm，间距d=1mm，材料为铜。采用谐波分析，频率50Hz，加载电流密度：5000A/m2。正负母排分别加载同向电流和反向电流时，导体周围磁力线和磁场强度分布如图4和图5所示。

图4　电流同向时的磁场分布情况

图5　电流反向时的磁场分布情况

仿真对比得出：H桥逆变器中，若采用正、负两块母排上下叠层放置，则器件换流时，会在上下母排产生大小相等、方向相反的电流，该电流使得导体外部磁场分散且较小，磁场集中分布在两导体之间，而叠层导体之间的磁场强度远比非叠层时低得多，极大的削弱了换流回路的杂散电感。因此，通过上下母排的叠层设计，尽量缩短换流回路包围的面积；同时参考母排数学模型，进行合理尺寸设计，尽量缩小母排间距，可降低换流回路的杂散电感，从而抑制功率器件关断过电压。

5　结论

本文提出的叠层母排低电感设计方法，根据电路换流路径和合理布局设计，在上下铜排中形成双向电流路径，可有效降低回路杂散电感，为叠层母排在大功率变换器中的进一步应用提供了设计思路和参考价值。

[1] 白保东, 陈晨, 张士军, 等. 隔爆一体式变频电机的层叠母线设计[J]. 沈阳工业大学学报, 2010, 32(1): 1-5, 10.

[2] 易荣, 赵争鸣, 袁立强. 高压大容量变换器中母排的优化设计[J]. 电工技术学报, 2008, 23(8): 94-100.

[3] 汪鋆. 基于IGBT的750kVA三相二极管箝位型三电平通用变流模块设计[D]. 杭州: 浙江大学, 2010.

[4] Caponet M C, Profumo F. Tenconi. Low stray inductance bus bar design and construction for good EMC performance in power electronic circuit[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2002, 17(2): 225-231.

[5] Zhiqiang Wang, Guozhu Chen. Study on planar busbar regarding stray inductance minimization and oscillation supperesion for high power converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2007, 10: 37-42.

Design of Low-Inductance Laminated Busbar based on Ansys

Chen Jing
(School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian, Jiangsu 223300)

To the harm of power switch shut-off over-voltage and EMI, this paper introduces the advantages and mathematical model of laminated busbar applied in power converter, which can reduce circuit stray inductance. Then, based on electromagnetic field theory, design principles of a non-inductance busbar structure were proposed by minimizing loop area, and H-bridge inverter laminated bus structure was designed. Finally, the results of Ansys finite element simulation show that the rationality of design method.

laminated busbar; low inductance; over-voltage; H-bridge inverter; EMI

陈 静（1986-），女，江苏淮安人，硕士研究生，讲师，主要从事电力电子与电力传动方向研究。