叠层母排结构在交流逆变焊机上的应用

李磊

（山东奥太电气有限公司，山东济南 250000）

叠层母排结构在交流逆变焊机上的应用

李磊

（山东奥太电气有限公司，山东济南 250000）

本文从叠层母排的低电感优点入手，探讨了叠层母排在逆变焊机结构方面具有的巨大优势，还对其进行了实验验证。这更加说明了叠层母排对于焊机结构优化深远影响。介绍了叠层母排的构成和优点， 对叠层母排技术进行理论分析，针对逆变焊机的电路特点，与传统铜条方案进行对比分析。最终得出结论：叠层母排结构是如今逆变焊机内部连接结构的发展方向，且随着逆变焊机市场的飞速发展，发展前景将更加光明。

叠层母排 逆变焊机 理论分析

针对交流逆变焊机，二次逆变模块、电容等数量多，相互之间连接复杂的特点，本文提出了一种自制叠层母线技术的新型功率母线。通过整机调试证明，这种功率母线很好的实现了设计的目的和意图，器件运行良好，温升显著下降。

1　叠层母排结构的构成和优点

所谓叠层功率母线，是把一个电力电子应用装置中的所有不同电位的连线以又薄又宽的铜排形式迭放在一起，各层之间用很薄的高绝缘材料隔离，各层铜排都在都在所需要的端子位置处同其他层可靠绝缘的引出，使所有具有不同电位的端子表露在同一平面上，便于主电路中所有器件与之相连。

主要优点：（1）较低的总体成本；（2）结构紧凑设计，可以节省很大的空间空间；（3）自身具有很低的电感（对于IGB等开关器件，可避免其由于浪涌电压而引起的击穿）；（4）大大降低安装出错的概率；（5）便于现场的安装及维修；（6）在相同情况下，与电缆相比，载流能力大大提升；（7）在相同载流的情况下，与电缆相比，其温升更低；（8）简洁、美观。

对于叠层母线来说，最重要的优点是自身的低电感，这是其他母线无法替代的。

2　理论分析

逆变焊机开关浪涌电压的产生机理，IGBT作为半导体开关器件， 在工作中有断态、开通、通态 、关断四种工况，开关电压尖峰主要产生于IGBT的开关状态转换过程中。实际应用中，由于线路中不可避免的存在分布参数，因此，在直流侧支撑电容和开关器件之间存在线路分布电感Ls。线路分布电感Ls包括直流侧电容的寄生电感、螺栓引脚杂散电感、主回路母线的杂散电感及开关器件IGBT的寄生电感。在T1关断的瞬间，电感Ls会阻止电流迅速减小，会在Ls两端感应出瞬态尖峰ΔU，大小由下式决定：ΔU=Ls*di/dt。因此，T1关断时承受的电压为Vd+Ls*di/dt，即IGBT开关动作时的电压电流应力和主回路中的分布电感有着非常重要的关系，IGBT工作在一定的di/dt时，产生的电压尖峰和分布电感大小就成正比在大功率逆变电路中开关器件需要承受的di/dt可达2kA/μs甚至3kA/μs，因此其浪涌电压会非常的高，会导致很多严重的问题出现，如造成器件过压（即击穿IGBT），输出谐波增加，开关器件的损耗增加，产生严重的EMI干扰等。

图1　

图2　

对于一定功率的逆变电路来说，其分布电感中包含有直流侧电容、螺栓引脚杂散电感、开关器件的寄生电感和主回路母线的杂散电感。由于电容和开关器件的寄生电感由于制作工艺的限制无法降低，因此，分布电感的降低主要依赖于主回路母线的杂散电感的降低。如果采用设计不当的母线会造成杂散电感过高，产生很高的浪涌电压，这样会对IGBT及整个电路造成非常严重的损坏。而如果采用设计优良的低电感母线，不仅可大幅降低浪涌电压，还可省去吸收电路，降低IGBT的选型电压，对于整个系统的成本降低和安全性提高都有很大的帮助。

因此，从降低系统整体成本及增加系统的可靠性、安全性角度考虑，采用叠层母排是非常有必要的。

3　叠层母排结构在交流逆变焊机上的应用

以上我们分析了叠层母线的优点，下面我们举例说明叠层母线在逆变焊机上的应用效果。

3.1原方案设计，铜条连接

直流母线上的电压Vd=600V，母线的杂散电感约为760nH，IGBT的平均温升90度，铜条的平均温升60度。选用的IGBT额定电压约为1700V。

具体的结构如图1。

这样选用IGBT时必须多留有余量，即选用了额定电压为1700V的IGBT，并且还需选用额定电压为1700V，2.0μF的吸收电容来吸收电压尖峰，这样才能勉强达到其性能要求。另外，这种结构中风扇采用吹风的形式进行散热，这对于交流输出A相的IGBT来说，其热量会产生堆积，温升会非常高，这样会影响其工作的稳定性。并且没有设计专门的风道，整体的散热会受到很大的影响。

3.2叠层母排方案

为了将此结构进行简化，且完全满足要求，我们采用了叠层母线进行整体设计现设计方案的叠层母排电感为0.3nH左右，远远小于原设计方案中母线的电感，这样可以大幅降低线路的分布电感，避免很高的电压尖峰出现，可以保护IGBT不被击穿。并且IGBT的温升降低20度左右，铜板温升降低15度；如图2所示。

4　结语

本文从叠层母排的低电感优点入手，探讨了叠层母排在逆变焊机结构方面具有的巨大优势，还对其进行了实验验证。这更加说明了叠层母排对于焊机结构优化深远影响。它不仅可以提高整个焊机系统安全可靠性，而且可以降低成本，因此叠层母排结构是如今逆变焊机内部连接结构的发展方向，且随着逆变焊机市场的飞速发展，发展前景将更加光明。

［1］盛全华，周蓉.叠层功率母线［J］.船电技术，2006，2.

［2］吕士斌，章国宝.叠层功率母线在大功率变频电源上的应用［J］.电子设计工程，2011，19（1）.

［3］王青，卢林辉.功率变换器叠层母排优化设计［J］.电力与能源，2013，34（1）.

李磊（1984—），男，汉，山东济南人，本科，助理工程师，研究方向：电子产品结构设计。