IGBT變流器用低感母排技術(shù)

研究IGBT器件的開關(guān)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(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(chǔ)研究IGBT開關(guān)性能；通過比較仿真、計算、實驗結(jié)果，提出了優(yōu)化低感母排EMC設(shè)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(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、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(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(guān)器件IGBT通常工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。當IGBT 關(guān)斷時，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大大超過IGBT的額定電壓值，可能導致開關(guān)器件因雪崩擊穿而損壞。
1.1 過電壓的產(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。電磁學中將電感L與磁鏈的關(guān)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(zhì)就是研究載流導體產(chǎn)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(guān)斷過電壓的方法有多種，常用的如采用軟開關(guān)技術(shù)、增加功率吸收電路等。軟開關(guān)技術(shù)致力于降低IGBT 開關(guān)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(guān)斷時的過電壓沖擊。軟開關(guān)驅(qū)動器和功率吸收電路都需要專門設(shè)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(yīng)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(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(nèi)部，而是聚集于導體表層，因此會產(chǎn)生集膚效應(yīng)。為了抑制回路雜散電感的產(chǎn)生，連接開關(guān)器件的導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(jié)構(gòu)，上、下橋臂開關(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，換流回路可簡化為兩疊層母排構(gòu)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(chǎn)生磁鏈F1；在上管關(guān)斷、下管尚未開通的死區(qū)時間里，因為負載的電感效應(yīng)，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(chǎn)生磁鏈F2。這樣，在開關(guān)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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