引言

20世紀80年代以來，以IGBT為代表的雙極型復合器件迅速發(fā)展，使得電力電子器件沿著高電壓、大電流、高頻化、模塊化的方向發(fā)展。隨著我國高壓變頻器廣泛應用于我國國民經(jīng)濟各個行業(yè)，高壓變頻器朝著體積更小、結(jié)構(gòu)更加緊湊、功率密度高的方向發(fā)展。在此基礎(chǔ)上對高壓變頻器系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求。

高壓變頻器未使用疊層母排時存在的尖峰電壓影響

在高壓變頻器功率回路中，IGBT的關(guān)斷尖峰電壓是由于通過IGBT的電流在IGBT的關(guān)斷時而產(chǎn)生的瞬時高電壓?，F(xiàn)以感性負載半橋電路關(guān)斷過程加以說明（如圖1）。

假設(shè)Q2截止，Q1處于開通狀態(tài)。若主回路為理想電路且不存在寄生電感，當Q1由導通變截止時，由于感性負載電流不能突變，將通過續(xù)流二極管D2續(xù)流，以構(gòu)成電流回路。此時Q1上的電壓將上升，直到它的值達到比母線電壓Ed高出一個二極管的壓降值才停止增加。但在實際的功率電路中存在寄生電感，如圖中的等效寄生電感LS。當Q1截止時，電感LS阻止負載電流I0向Q2的續(xù)流二極管D2切換。在電感LS兩端產(chǎn)生阻止母線電流增加的電壓，它與電源電壓相疊加形成尖峰電壓（如圖2）并加在Q1的兩端。該尖峰電壓一方面增加了開關(guān)損耗，在極端情況下，該尖峰電壓會超過IGBT的VCES額定值，并損害IGBT。[]

等效寄生電感分布于整個功率電路中，主要由母線寄生電感和功率模塊寄生電感等組成，分布電感量越大，負載電流越大，功率開關(guān)di/dt越短，這種危害就越嚴重，且這種危害不會因為功率開關(guān)器的選擇而消失。

二、疊層母排對抑制尖峰電壓起到的作用

高頻化、大功率電壓控制型功率器件在開關(guān)過程中，由于母線寄生電感和功率模塊自身電感的影響，會產(chǎn)生很高的尖峰電壓，這種尖峰電壓一方面增加了開關(guān)損耗，使系統(tǒng)發(fā)熱增加，另一方面過高的尖峰電壓會影響功率模塊正常工作。因此，必須將開關(guān)過程的尖峰電壓限制在允許范圍內(nèi)。降低開關(guān)過程中尖峰電壓的途徑有兩種：一是通過選擇合適的柵極驅(qū)動電阻來減小di/dt，從而減小尖峰電壓，但弊端是導致dv/dt減小，開通時間和關(guān)斷時間延長，進而增加開關(guān)損耗；二是減少直流回路功率母線的分布電感(寄生電感)，這種方式通常采用疊層母排來降低尖峰電壓。

疊層母排（如圖3），其結(jié)構(gòu)是將兩層或多層銅排疊在一起，銅板層與層之間用絕緣材料進行電氣隔離，通過相關(guān)工藝將導電層和絕緣層壓制成一個整體。它的優(yōu)勢是將連接線做成了扁平的截面，在同樣的電流截面下增大了導電層的表面積，同時導電層之間的間隔大幅降低，由于鄰近效應使得相鄰導電層流過相反的電流，它們產(chǎn)生的磁場相互抵消，從而使得線路中的分布電感大幅降低。

圖3合康疊層母排實物圖

合康高壓變頻器采用設(shè)計優(yōu)良的低電感疊層母排作為濾波電容與功率模塊的連接部件（如圖4），不僅可以大幅降低尖峰電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，提高了系統(tǒng)的可靠性及安全性。

圖4疊層母排用于高壓變頻器實物圖

三、疊層母排的其他優(yōu)點

1、提高系統(tǒng)可靠性

傳統(tǒng)母線因為考慮空間大小及載流情況，一般選用又厚又窄的銅排，不僅電阻大，散熱差導致系統(tǒng)溫升高，而且加工困難，安裝繁瑣。而使用疊層母排(如圖5中新結(jié)構(gòu)示意圖)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計簡潔清晰，整體化安裝，便于裝配和現(xiàn)場維護，提高生產(chǎn)裝配速度及降低了裝配出錯率，從而降低整機裝配的人工成本；其次結(jié)構(gòu)設(shè)計集成度高，方便產(chǎn)品系列化和模塊化，提高產(chǎn)品可靠性。

圖5左：原結(jié)構(gòu)示意圖右：新結(jié)構(gòu)示意圖

2、低阻抗，高容值，有效簡化IGBT吸收電路

疊層母排采用的絕緣紙厚度相對較薄，介電常數(shù)K相對較高，所以疊層母排的電容相對較大，即相當于增加了系統(tǒng)電容；另外，疊層母排的物理結(jié)構(gòu)特點也決定了它相對于傳統(tǒng)母排具有均勻且高的分布電容、低的串聯(lián)電感、低的系統(tǒng)阻抗的特性（如圖6中方案1），可以有效簡化IGBT吸收電路。

圖6電氣性能比較

3、使用更安全

局部放電是指絕緣內(nèi)部產(chǎn)生的局部漏電現(xiàn)象，會導致系統(tǒng)絕緣快速老化，這將是高壓變頻器面臨的一個嚴重的安全隱患。造成局部放電的原因有：一是大于等于直流1kV的高電壓；二是不同電壓等級間的內(nèi)絕緣和銅板間有氣隙。疊層母排的絕緣層和銅板間用膠粘劑熱壓后完全貼合，無任何氣隙。出廠前進行100%局部放電率測試，絕緣壽命超過20年，在整個變頻器使用過程中免維護，解決了變頻器因長期運行而引發(fā)的安全隱患問題。

4、散熱效果更佳

疊層母排較低的阻抗特性能夠以更低的電壓降實現(xiàn)高電流承載能力，加上較高的容值儲存了更多的熱能，所以疊層母排比傳統(tǒng)母排更容易散熱冷卻，可以有效地降低系統(tǒng)溫升。

此外疊層母排的扁平結(jié)構(gòu)提供了更佳的散熱效果，寬而薄的導體對系統(tǒng)中空氣的流動十分有利。由于整體尺寸減少，系統(tǒng)散熱的成本也隨之減少。疊層母排不僅可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加緊湊，還可以通過圓滑設(shè)計改進熱流動。

5、對抗惡劣環(huán)境

使用傳統(tǒng)分離式母排，振動、鹽霧、冰雪和粉塵環(huán)境會對母排造成安全威脅：長期振動可能造成分離式母排連接處松動解體，海上的潮氣如果滲入絕緣體內(nèi)將導致層間擊穿，粉塵累積可能導致爬電擊穿，冰雪天氣可能使銅排受潮凝露，導致爬電擊穿等。而使用疊層母排，高強度整體粘結(jié)保證長期不松動，同等電流下可以使銅排盡量減薄，用彈性補償振動影響，全密閉結(jié)構(gòu)防止潮氣滲入，絕緣材料封裝消除了爬電擊穿的威脅，這些特點表明使用疊層母排可以整體提高系統(tǒng)對抗惡劣環(huán)境的能力。

結(jié)束語

高壓變頻器運行時，IGBT工作在大電流的高頻通斷狀態(tài)下，由于線路電感和器件寄生電感的存在，在IGBT關(guān)斷時會產(chǎn)生電壓尖峰施加在IGBT上，嚴重影響IGBT的工作狀態(tài)，降低設(shè)備運行的可靠性。通過上述疊層母排的特點，疊層母排在合康高壓變頻器上的應用，可以有效地降低線路的分布電感，抑制尖峰電壓，減小渦流熱效應，大大簡便設(shè)備裝配及維護，對于改善變頻器的整體系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)的可靠性十分有利。