IGBT變流器用低感母排技術

研究IGBT器件的開關及特性對實現(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影響IGBT的開關特性。本文研究IGBT 變流器中常用的疊層母排，分析IGBT尖峰電壓產生和抑制的機理，建立了低寄生電感母排基本模型以進行仿真，闡述了換流回路雜散電感的組成和計算方法，以實驗測試數(shù)據(jù)為基礎研究IGBT開關性能；通過比較仿真、計算、實驗結果，提出了優(yōu)化低感母排EMC設計的原則。
0 引言
低感母排又稱疊層母排，屬于一種多層復合結構連接排，是目前電力電子設備中廣泛采用的、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、可靠性高，而且裝配簡單、系統(tǒng)集成度高，有利于電氣系統(tǒng)的結構化布線和安裝，特別適合作為大功率變流器的電氣連接結構部件。如何設計和制造具有低阻抗特性的低感母排是現(xiàn)代變流器設計的一個重要課題。
1 IGBT 的過電壓及其抑制方法
功率半導體開關器件IGBT通常工作在高頻開關狀態(tài)。當IGBT 關斷時，回路產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大大超過IGBT的額定電壓值，可能導致開關器件因雪崩擊穿而損壞。
1.1 過電壓的產生
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。電磁學中將電感L與磁鏈的關系定義為Ψ=LI（其中Ψ為磁場中由某一電流回路引起且穿過此回路面積的磁鏈），研究導體電感的實質就是研究載流導體產生的電磁場。
將電感公式兩邊求導，得即： 這就是回路中過電壓的由來。式（1）中，Vpeak 為尖峰電壓， di/dt為瞬時電流變化率�？梢�，降低過電壓可以通過降低電流變化率和減小雜散電感值L 兩種途徑來實現(xiàn)。
1.2 過電壓的抑制方法
工程上抑制IGBT 關斷過電壓的方法有多種，常用的如采用軟開關技術、增加功率吸收電路等。軟開關技術致力于降低IGBT 開關時的電流變化率di/dt，以保證IGBT在安全工作區(qū)（SOA）運行。功率吸收電路可以用于吸收IGBT關斷時的過電壓沖擊。軟開關驅動器和功率吸收電路都需要專門設計，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際操作的困難。相比之下，通過減小回路雜散電感值來抑制過電壓是工程實踐中普遍應用的方法。
2 疊層母排與電感抑制
2.1 疊層母排的特點
相對于傳統(tǒng)的分立母排，疊層母排通過將同一回路的正、負導體壓合在一起，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。全密閉結構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
當高頻大電流流經(jīng)導體時，由于電流不是均勻地分布在導體內部，而是聚集于導體表層，因此會產生集膚效應。為了抑制回路雜散電感的產生，連接開關器件的導體通常采用由寬而平的銅板和絕緣層構成的疊層母排，正、負銅板位于絕緣層的兩面并且重疊。對于半橋和全橋兩電平拓撲結構，上、下橋臂開關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，換流回路可簡化為兩疊層母排構成。以兩電平半橋電路的換流過程為例，如圖1 所示：當上管IGBT導通時，電流I1在正母排上產生磁鏈F1；在上管關斷、下管尚未開通的死區(qū)時間里，因為負載的電感效應，負載電流I2 通過下管IGBT 的反并聯(lián)二極管續(xù)流，在負母排上產生磁鏈F2。這樣，在開關器件換流期間，正、負母排之間形成一對高頻鏡像電流，其大小相同、方向相反，在一定程度上抵消了彼此的磁場，使得疊層母排的回路電感得到抑制。

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