研究IGBT器件的開(kāi)關(guān)及特性對(duì)實(shí)現(xiàn)IGBT變流器的高性能具有重要的意義，IGBT DC Link主回路的寄生電感會(huì)影響IGBT的開(kāi)關(guān)特性。本文研究IGBT 變流器中常用的疊層母排，分析IGBT尖峰電壓產(chǎn)生和抑制的機(jī)理，建立了低寄生電感母排基本模型以進(jìn)行仿真，闡述了換流回路雜散電感的組成和計(jì)算方法，以實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究IGBT開(kāi)關(guān)性能;通過(guò)比較仿真、計(jì)算、實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了優(yōu)化低感母排EMC設(shè)計(jì)的原則。

0 引言

低感母排又稱疊層母排，屬于一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排，是目前電力電子設(shè)備中廣泛采用的、重要的電氣連接形式。與傳統(tǒng)的配線方式相比，疊層母排不僅阻抗低、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高，而且裝配簡(jiǎn)單、系統(tǒng)集成度高，有利于電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化布線和安裝，特別適合作為大功率變流器的電氣連接結(jié)構(gòu)部件。如何設(shè)計(jì)和制造具有低阻抗特性的低感母排是現(xiàn)代變流器設(shè)計(jì)的一個(gè)重要課題。

1 IGBT 的過(guò)電壓及其抑制方法

功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)器件IGBT通常工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)IGBT 關(guān)斷時(shí)，回路產(chǎn)生的尖峰電壓瞬間加載于IGBT的集電極和發(fā)射極之間，形成的電壓尖峰值會(huì)大大超過(guò)IGBT的額定電壓值，可能導(dǎo)致開(kāi)關(guān)器件因雪崩擊穿而損壞。

1.1 過(guò)電壓的產(chǎn)生

回路的寄生電感和分布電感通常被稱為雜散電感(Stray Inductance)，它是由與電流回路相交鏈的磁鏈引起的。電磁學(xué)中將電感L與磁鏈的關(guān)系定義為Ψ=LI(其中Ψ為磁場(chǎng)中由某一電流回路引起且穿過(guò)此回路面積的磁鏈)，研究導(dǎo)體電感的實(shí)質(zhì)就是研究載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場(chǎng)。

將電感公式兩邊求導(dǎo)，得

即：

這就是回路中過(guò)電壓的由來(lái)。式(1)中，Vpeak 為尖峰電壓， di/dt為瞬時(shí)電流變化率?？梢?jiàn)，降低過(guò)電壓可以通過(guò)降低電流變化率和減小雜散電感值L 兩種途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。

1.2 過(guò)電壓的抑制方法

工程上抑制IGBT 關(guān)斷過(guò)電壓的方法有多種，常用的如采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)、增加功率吸收電路等。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)致力于降低IGBT 開(kāi)關(guān)時(shí)的電流變化率di/dt，以保證IGBT在安全工作區(qū)(SOA)運(yùn)行。功率吸收電路可以用于吸收IGBT關(guān)斷時(shí)的過(guò)電壓沖擊。軟開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)器和功率吸收電路都需要專門設(shè)計(jì)，這將增加變流器的制造成本。由于IGBT往往工作在高頻狀態(tài)下， di/dt本身很大，降低電流變化率往往面臨實(shí)際操作的困難。相比之下，通過(guò)減小回路雜散電感值來(lái)抑制過(guò)電壓是工程實(shí)踐中普遍應(yīng)用的方法。

2 疊層母排與電感抑制

2.1 疊層母排的特點(diǎn)

相對(duì)于傳統(tǒng)的分立母排，疊層母排通過(guò)將同一回路的正、負(fù)導(dǎo)體壓合在一起，使得分布電感相互抵消，具有低電感特性。目前，疊層母排普遍采用粘膠熱壓成形工藝，可以使絕緣層和銅板完全貼合，在沒(méi)有氣;;隙的條件下，能有效降低局部放電的發(fā)生率。全密閉結(jié)構(gòu)的疊層母排可以耐受潮濕和鹽霧等惡劣環(huán)境，采用絕緣材料封裝工藝可以大大降低爬電擊穿的威脅，提高層間絕緣性能。

2.2 疊層母排抑制電感的原理

當(dāng)高頻大電流流經(jīng)導(dǎo)體時(shí)，由于電流不是均勻地分布在導(dǎo)體內(nèi)部，而是聚集于導(dǎo)體表層，因此會(huì)產(chǎn)生集膚效應(yīng)。為了抑制回路雜散電感的產(chǎn)生，連接開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)體通常采用由寬而平的銅板和絕緣層構(gòu)成的疊層母排，正、負(fù)銅板位于絕緣層的兩面并且重疊。對(duì)于半橋和全橋兩電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，上、下橋臂開(kāi)關(guān)管的位置一般布置得很靠近，器件之間的連接電感可以忽略，換流回路可簡(jiǎn)化為兩疊層母排構(gòu)成。以兩電平半橋電路的換流過(guò)程為例，如圖1 所示：當(dāng)上管IGBT導(dǎo)通時(shí)，電流I1在正母排上產(chǎn)生磁鏈F1;在上管關(guān)斷、下管尚未開(kāi)通的死區(qū)時(shí)間里，因?yàn)樨?fù)載的電感效應(yīng)，負(fù)載電流I2 通過(guò)下管IGBT 的反并聯(lián)二極管續(xù)流，在負(fù)母排上產(chǎn)生磁鏈F2。這樣，在開(kāi)關(guān)器件換流期間，正、負(fù)母排之間形成一對(duì)高頻鏡像電流，其大小相同、方向相反，在一定程度上抵消了彼此的磁場(chǎng)，使得疊層母排的回路電感得到抑制。

圖1 換流回路的磁鏈

未完待續(xù)