大功率脉冲电能变换器功率模块叠层母排设计与优化研究
2017-12-14杜立天彭俊荣尹斌传
杜立天，彭俊荣，尹斌传
大功率脉冲电能变换器功率模块叠层母排设计与优化研究
杜立天1，彭俊荣1，尹斌传1
（武汉船用电力推进装置研究所，武汉430064）
通过分析叠层母排设计的基本原理，对大功率脉冲电能变换器功率模块叠层母排的设计要点进行了研究。论文依据母排结构对杂散电感的影响，明确了叠层母排设计和优化的原则，并运用到大功率脉冲电能变换器的叠层母排设计中。最后通过软件仿真分析，验证了母排设计原则的可行性及大功率脉冲电能变换器叠层母排设计的合理性。
叠层母排 大功率 脉冲电能变换器 杂散电感
0 引言
随着现代半导体器件技术发展，IGBT开关速度目前可以达到µs级。若线路杂散电感较大，在IGBT两端会产生很大的开关电压尖峰，导致半导体器件承受的电压应力超过器件安全工作区而损坏。功率模块结构中杂散电感由直流母线电容的串联电感、半导体器件内部的杂散电感、连接螺丝的杂散电感以及叠成母排的杂散电感组成，而前三部分的杂散电感是难以改变的，故需降低叠层母排上的杂散电感。
叠层母排设计与优化是整个变换器设计较为重要的一环，叠层母排杂散电感将直接影响IGBT开关器件的使用效果，也进而影响其输出电气性能与电力装置的电磁兼容问题。阅读大量文献后发现已经有很多重要的叠层母排设计方法[1-3]。以这些设计方法为基础，对影响叠层低感母排电感的因素进行分析，然后对大功率脉冲电能变换器功率模块叠层母排进行优化设计。
1 叠层母排设计基本原理
叠层母排由多层铜板构成且铜板之间用高绝缘材料隔开，相比于非叠层母排具有空间紧凑、杂散电感小等优点，在大功率电能变换器中得到大量运用。在确定电能变换器设计功率等级、拓扑结构、器件选择等具体要求且完成变换器整体布局后，就可以开始设计叠层母排。变换器叠层母排设计要求杂散电感小，有一定的电磁兼容性，结构紧凑，可靠性高，维护方便等。
叠层母排设计中除了设计母排尺寸之外，还得考虑IGBT开关时在母排内流过高频交流电流时产生的趋肤效应和接近效应，使电流集中在母排接触面上，合理设计可以使产生的部分磁场相互抵消，磁场的相互抵消作用就越明显，寄生电感就越低。
图1叠层母排结构示意图
图1中上下两层铜板尺寸相同，单层长宽高分别为为a、b、c，绝缘层厚度为h，电流在趋肤效应下产生的趋肤深度为：
叠层母排等效集中参数为：
2 叠层母排设计要点分析
2.1 三层叠层母排空间放置顺序的影响
回路中电流方向是相对的，可通过改变母排叠放次序改变连接端子，进而改变电流路径。三层叠层母排中三层铜板分别是正极板、负极板、连接板，对不同连接端子位置的回路模型进行分析。模型中，叠层母排长度400 mm，宽度200 mm，导体厚度1 mm，绝缘层1 mm。下面图2是母排3D结构模型示意图，图3指出了叠层母排的电流方向。
图2三层排3D侧面结构示意图
（a）第一种连接方式(b)第二种连接方式
图3母排中电流的流向示意图
第一种连接方法是以上层铜板为连接板，中间与下层板为正负极板；第二种连接方法是以中间层为连接板，其他两层为正负极板，可知连接方法的不同会导致叠层母排的放置布局不同。用Ansoft Q3D对两种连接方法仿真，计算回路杂散电感，结果如下：
由表可知第二种连接方法中母排获得的杂散电感低。说明采用三层叠层母排的连接板放在中间层时，母排整体回路杂散电感更小。
2.2 器件在母排上位置布局的影响
合理的器件位置布局可以改变电流的流经路径，在上下母排电流之间产生互感且由于路径的不同而叠加或抵消。以IGBT为例，其连接点间布局一般采用横向与纵向的布局方式。而连接层截面积较正负极层小，电流密度大，其产生的电流互感效应在局部效果大，若IGBT连接点如图4则为纵向放置，若IGBT连接点如图5则为横向放置，用Ansoft Q3D对其进行仿真分析，模型：下层与中间层为正、负极铜板长150 mm、宽80 mm、厚1 mm，中间绝缘层厚1 mm，上层连接板长、宽都是30 mm、厚1 mm。
图4器件连接点纵向放置叠层母排上电流路径图
图5器件连接点横向放置叠层母排上电流路径图
由仿真结果电流路径图4、图5分析，在连接板形状相同情况下，改变连接点位置即改变IGBT连接点放置方向，在连接板区域电流路径有很大差别。在连接点横向放置时，连接板区域的三层电流矢量大小相等方向相反的重合度比纵向放置高，因此互感相互抵消效果更明显，仿真分析结果如下表：
从上表可验证前面对电流路径的互感影响分析正确，故在器件连接点采用横向放置时，叠层母排的低感效果更明显，杂散电感更小。该结论对于其它器件连接点的放置方向一样适用，譬如直流侧支撑电容、二极管等。
在叠层母排长宽高及绝缘层厚度确定的情况下，需使设计的母排电流路径短，在上下母排流过的电流路径要尽量上下平行重合，且各对应点上电流矢量大小相等、方向相反，在叠层母排间形成镜像回路，导体周围空间磁场相互抵消，来降低杂散电感。
3 电能变换器叠层母排实例分析
3.1 大功率脉冲电能变换器功率模块结构
大功率脉冲电能变换器功率模块的电气主回路为三相全桥，每半个桥壁由两个IGBT并联，共用12个IGBT，直流侧支撑电容采用电容器并联。其功率模块由IGBT、支撑电容等电气器件及连接母排等构成。由于大功率脉冲电能变换器有脉冲大电流、瞬间产生大量热能等工作特点，需在整体空间结构上考虑电气绝缘性能、散热性能，并对电气连接叠层母排合理设计与优化。
3.2 叠层母排设计仿真分析
理论上，母排上的任意地方都可以设计连接点，且一般母排的设计当中，母排的连接点的选取通常只考虑到连接方便、连接距离近以及母排连接点端子制作简单等，相应设计出来的母排杂散电感很高。故需采用一系列母排优化设计方法。如：整个电流回路路径与器件连接点成横向放置，连接板放置于中间层且每个连接板覆盖于正负极板的面积较大，整个电流路径由电容器正极连接点流向上桥臂IGBT正极连接点、上桥壁IGBT负极连接点流向下桥臂IGBT正极连接点、下桥臂IGBT负极连接点流向电容器负极三条回路组成，构成一条流过三层板的平行回路路径，抵消了导体周围的大量空间磁场。大功率脉冲电能变换器有特殊的脉冲大电流工作特点，母排设计要求更为苛刻，除要求极低杂散电感外，还需保证良好的绝缘性能、散热性能。
优化设计的三种叠层母排分别为“一”型、“T”型、“Y型”，如下图6。运用Ansoft Q3D 对这三种叠层母排仿真分析：
图6三种优化的叠层母排3D结构图（a）“一”型；（b）“T”型；（c）“Y”型.
由表3知，在采用一系列降低杂散电感设计方法来优化设计叠层母排，回路杂散电感很小，叠层母排的优化效果十分显著，充分验证了母排优化设计原则的可行性。
3.3 叠层母排杂散电感的影响分析
通过Matlab/Simulink对叠层母排中杂散电感在主回路中的影响进行仿真分析。仿真参数：直流电压800 V，直流侧支撑电容30mF，电容寄生电感LsDR为5 nH，IGBT内部等效杂散电感Lsce为3 nH，PWM调制信号的载波频率2 kHz、调制比0.49、调制波频率20 Hz。三相换流回路杂散电感LsA、LsB、LsC都设置为4 nH。仿真图如下。
图7主回路中杂散电感的影响仿真图
当每相换流回路叠层母排的杂散电感L为4nH时，IGBT的CE两端电压峰值为980V。设计的三种叠层母排其换流回路杂散电感均小于4nH，则三种叠层母排杂散电感对IGBT的CE两端的电压峰值影响都小于980V。“一”型是三叠层母排，耗费材料最多，且功率模块结构中12个IGBT平铺在一块散热板上，散热效率相对较差；“T”型是两叠层母排，材料耗费少，但12个IGBT平铺在一整块散热板上，散热效率较差；“Y”型是两叠层母排，材料耗费少，采用两块散热板各平铺6个IGBT，散热效果较好。筛选比较后选取“Y”型叠层母排的设计方案。可知低杂散电感叠层母排保证了IGBT开关电压尖峰处于较小值，且考虑各种因素来选取不同形状叠层母排，验证了大功率脉冲电能变换器叠层母排设计的合理性。
4 结论
通过对叠层母排的基本设计原理与重要设计要点进行分析，明确了设计叠层母排的几点优化方法。由于大功率脉冲电能变换器的工作特点特殊性，功率模块叠层母排杂散电感相比于一般叠层母排要更小，不仅要从叠层母排本身设计要点的角度优化，更要从电能变换器整体空间结构布局上优化，考虑对称性、电气器件间距、耗费材料、散热效果等因素。运用Ansoft Q3D仿真分析优化设计的叠层母排以及Matlab/Simulink仿真分析叠层母排中杂散电感对功率器件IGBT的CE两端电压的影响，验证了母排设计原则和大功率脉冲电能变换器叠层母排设计的合理性。
[1] 王尧,盛建华.《叠层母排的技术优势及其应用综述》[J]. 变频器世界, 2012, (09): 55-60.
[2] 陈材.《逆变电源主电路分布参数的分析与优化》[D].华中科技大学,2014.
[3] 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, (08): 94-100.
Design and optimization of Laminated Busbar of Power Module for High-power Pulse Power Converter
Du Litian1, Peng Junrong1, Yin Binchuan1
（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion,Wuhan 430064,China）
TM921
A
1003-4862（2017）11-0074-04
2017-09-15
杜立天（1991-），男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。
