迭层功率母线及其在电力电子装置中的应用分析

2018-11-29王真

科技与创新 2018年14期

王真

（株洲中车时代电气股份有限公司，湖南株洲 412001）

1 迭层功率母线的作用

相关研究结果表明，电力电子装置采用GTR器件在开关频率为2 kHz时，变频器总寄生电感应控制在60 nH以内；采用IGBT器件在开关频率为16 kHz时，总寄生电感应控制在30 nH以内。传统圆直导线的寄生电感约为8 nH/10 cm，因此，IGBT变频器连接线长度不能超过40 cm，但在常规结构中难以实现。迭层功率母线是基于电磁学理论设计的新型功率母线，通过将电力电子装置中所有不同电位的连接线用薄而宽的铜排形式迭放起来，在各层次之间采用高绝缘强度材料粘合。在此情况下，各层铜排能够在对应端子位置与其他层的可靠绝缘地引出，从而使不同电位端子集成在同一平面，方便器件连接。可以将IGBT器件与电容器、散热器、整流管、栅极驱动电路等通过迭层功率母线组合成一体，减小寄生电感数量级，将过电压应力降至最低，从而为电力电子装置的运行稳定性提供保障。

迭层功率母线的应用能简化电力电子装置组装过程，降低成本。迭层功率母线属于无感功率母线，可将其看作利用多个无感汇流条将电力电子装置硬件连接起来，特别是在大电流和大功率电力电子设备中的应用，迭层功率母线能有效提升IGBT器件的安全性和运行效率。一般在直流储能电容与逆变器之间的母线寄生电感容易因开关瞬态切换的过电压问题导致器件过热损坏，同时也会限制开关工作频率，可能因寄生振荡导致逆变器失控。为了防止这些问题出现，常规电力电子装置的变换系统加入吸收电路，会增加逆变器元器件数量，导致制造成本和难度增加，且在高频运作情况下，吸收电路参数选择难度较高。因此，采用迭层功率母线降低系统寄生电感，对电力电子设备的设计应用具有重要意义。

2 在电力电子装置中的具体应用

2.1 功率母线选型

在电力电子装置中应用的功率母线类型主要包括：①电缆绞线。作为传统的功率母线，具有检疫、成本低等优点，但电缆绞线自身电感较大，容易因寄生电感问题影响运行。从设计方式来看，选择扁平母线可以将自感降低至圆直导线的1/3左右。②印刷电路板。此类母线主要被应用在小电流逆变器中，如果母线直流电流超过150A，则电路板富铜层厚度较大，会导致造价明显提升，而且多层导线板的连接穿孔会占据较大空间，也会影响整机运行稳定性。③平面并行式母线。其是工业IGBT模块馈电系统中应用较为广泛的母线，其主要缺点是并行母线之间互感较大。④支架式母线。将正直流母线板设置在负直流母线板上方，并采用薄绝缘材料将其隔开，利用磁场互消作用，降低母线互感。此类目前主要应用在样机制作中，由于装配工艺过于烦琐，不适合规模化工业生产。⑤迭层功率母线。在几种母线中电感最小，通过将正负直流母线与绝缘层热压在一起，可以保证整个母线板距离均匀性。在通过对交流母线板进行迭加，可以减少整个系统元件数量。迭层功率母线结构稳定，可以承受几百千克切应力，导电板之间能够承受几千伏电压。

2.2 迭层功率母线的应用特点

迭层功率母线采用的导体材料为铜合金，其电阻率低，而且价格低廉，适合用于规模生产。如果对整机重量有要求的情况下，可以采用质轻的铝材作为导体材料，铝制导体材料截面积比对应铜材料大67%左右，而结构质量约为铜的50%，导电率约为铜的60%，造价更低。但需要对铝制导线进行防腐处理，镀上保护镍，会增加总体成本。铜排电阻决定其载流能力，根据以往使用经验，合理的电流密度为5A/mm2，升温在20℃左右。

2.3 迭层功率母线安装和布局

确定底层母线尺寸和绝缘材料后，需要具体考虑迭层母线与IGBT器件的连接问题及母线布局问题。可以采用多种方法将功率母线与IGBT器件进行连接，其中，最常用的方法有模压、焊接插件法等。可以通过对模压插件开凿，满足不同端子尺寸的器件连接要求。保证接触面电阻足够小，从而降低电压降。迭层母线主要包括敞口式、模压端面、环氧填充端面和G10端面等几种形式。其中，敞口式母线的绝缘层采用伸出导体板边缘的形式，但不将其压在一起，直流逆变器的功率母线一般应伸出5 mm，满足爬电距离要求。模压端面式母线绝缘层伸出导体板边缘后，还要压在一起，确保延伸部分尺寸与敞口相同。环氧填充端口则采用灌封技术，根据不同情况采用不同厚度的环氧填充。环氧涂层对导体板绝缘，可以使用绝缘绑带将导体板捆到一起。G10玻璃端口也可以用来代替环氧填充端口，一般在恶劣条件下使用较多。

2.4 迭层功率母线在规模生产中的应用

迭层功率母线因其自身的特点和优势，比较适合在规模生产中使用。对于规模生产而言，不仅要考虑功率母线的自身性能，还要充分考虑材料成本和制作工艺方面的因素，对元器件数量、系统规模和装配时间等都有具体要求。利用迭层功率母线将所有的功率级元器件组合在一起，省时省力，可以降低规模生产的复杂性。迭层功率母线自身具有寄生电感小的特点，不需要进行复杂的吸收电路设计，可以有效减少元器件使用数量，从而降低生产成本。因此，目前迭层功率母线已经在规模生产中得到广泛应用，是降低装配错误、提高生产效率的有效方法。