1換流回路的雜散電感

在IGBT 變流器中，回路電感表現(xiàn)為某一時(shí)刻一條換流回路的總雜散電感值Lstray。如果將各環(huán)節(jié)的寄生電感和分布電感抽象為分立元件的形式，則回路電感主要包括疊層母排的分布電感Lbusbar、直流支撐電容的內(nèi)部電感LC、IGBT內(nèi)部電感LIGBT及連接IGBT和母排的螺釘寄生電感Lscrews（圖1）：

圖1 回路總雜散電感的組成

回路中各環(huán)節(jié)電感值對于減小回路的總雜散電感而言十分重要。由于直流支撐電容器和IGBT的內(nèi)部電感是定值，其降低只能通過器件制造商提高制造和工藝水平來實(shí)現(xiàn)。IGBT 和疊層母排間若采用螺釘連接方式，其電感值也基本固定。因此，減小疊層母排的自身電感是進(jìn)一步減小回路總雜散電感的關(guān)鍵所在。

2 低感母排的參數(shù)模型

根據(jù)用途和布局的不同，低感母排存在多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。本文研究的疊層母排采用由兩層平行導(dǎo)電平板與中間絕緣層復(fù)合的疊層結(jié)構(gòu)，其模型如圖2 所示，其中，l為母排長度，w為寬度，t為導(dǎo)電平板厚度，d為兩層導(dǎo)電平板中心間距；其等效電路如圖3所示，分布電感、分布電容和電阻特性等可以抽象成等效電路中的L、C及R 等電氣參數(shù)。

圖2 疊層母排模型

圖3 疊層母排的等效電路

設(shè)計(jì)低感母排時(shí)，需要考慮其兩種形式存在的電感：

（1）內(nèi)電感Li ——由導(dǎo)體內(nèi)部的磁鏈引起的，其大小隨頻率的增加而減??；

（2）外電感Le——由正、負(fù)母排的電流方向和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定，與頻率無關(guān)。

在高頻狀態(tài)下，由于存在集膚效應(yīng)，Li很小，可以忽略，電感主要表現(xiàn)為Le；而在低頻狀態(tài)下，Li 是電感的重要成分，電感表現(xiàn)為Li 與Le之和。下式示出外電感的通用計(jì)算公式：

式中： 0—真空磁導(dǎo)率； r—相對磁導(dǎo)率；Δk和Δe—修正因子，由母排的幾何參數(shù)決定。

3 雜散電感的計(jì)算分析

3.1 電感的工程計(jì)算

雜散電感值的精確分析和計(jì)算是低感母排設(shè)計(jì)的重要課題。利用公式可以初步計(jì)算疊層母排的電感值大小，供工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

以d=0.04 m，l=0.6 m，w=0.068 m規(guī)格母排為例進(jìn)行雜散電感值的計(jì)算。根據(jù)分布電感公式計(jì)算可知，Lbusbar= 28 nH；根據(jù)IGBT 產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊可知，模塊內(nèi)部電感LIGBT=10 nH；測量IGBT 與母排連接螺釘處的電感，Lscrews=20 nH ；根據(jù)直流支撐電容器數(shù)據(jù)手冊可知，其內(nèi)部電感LC=15 nH。表1示出回路的分布電感情況。

3.2 仿真分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證雜散電感的工程計(jì)算值，使用Ansoft Q3D軟件對變流器模塊的疊層母排模型進(jìn)行仿真。圖4示出疊層母排表面電流分布。可以看出，由于正、負(fù)母排的形狀并不完全重合，造成表面電流分布不均勻，磁通存在空間分離，導(dǎo)致回路電感的產(chǎn)生。用仿真軟件提取的雜散電感值為64. 3 nH，但該值未包含LIGBT。將仿真值與LIGBT 相加，得到回路的總雜散電感。

圖4 疊層母排的電感仿真

未完待續(xù)