（中车永济电机有限公司）
摘要：叠层母排是一种便捷式电气部件，因为其自身具有低电感低阻抗、可靠性高、节省空间、安装便捷的特点，在电力电子相关行业有了越来越广泛的应用。本文讨论了一种与传统母排相比较更为灵活的叠层母排设计方式，在结构和电气两方面来验证其可靠性，并通过折弯型叠层母排在在功率单元设计中的实际应用，探讨了其具有的优势。
关键词：叠层母排 母排搭接 IGBT功率单元
引言
叠层母排又称复合母排、低感母排、层叠母线排、夹层汇流排，英文Lami-nated Basbar，属于一种多层复合结构连接排。是目前电力电子设备中应用最广泛的电气连接形式。与传统的配线方式相比，叠层母排不仅具有低电感、低阻抗、可靠性高、节约空间的效果，而且装配简单、系统集成度高，所以能够在中、高功率变流场合使用，有利于电气系统的结构化布线和安装，是发展电力电子行业极其重要的一个部件[1]。
1、叠层母排的应用分析
叠层母排的设计对于功率单元整体性能的提高起着至关重要的作用。传统方式的叠层母排连接有如下两种情况：
（1）通过叠层母排的连接实现同一平面两组电路的电气连接。
（2）对于两个垂直面的电连接，一般通过两块母排的垂直搭接来实现，但这种搭接存在如下局限性：
图1 叠层母排的内层覆膜钣金
a、对空间提出了更高的要求，需要搭接处具有足够的操作空间来进行连接螺栓的紧固；
b、两块母排的搭接面局部杂散电感较大，同时搭接点的温升也会比较高。
图2 叠层母排的的外层覆膜钣金
在实际应用中，对于IGBT安装面与电连接端子不在一个平面的情况，为避免上述两款母排搭接的局限性，尤其是为节约空间而将其他电气部件与功率单元一体化安装的情况下，一是要求方便安装维护，二是需要最大限度的降低电感量，这就对叠层母排的设计提出了新的要求。本文通过讨论一种覆膜折弯型叠层母排的设计来实现两个垂直平面的电连接。
2、叠层母排折弯的性能分析
关于折弯后叠层母排的可靠性，从以下三个方面进行分析：
（1）从绝缘膜延伸率角度考虑
分别计算母排折弯角度为90度时内绝缘膜和外绝缘膜的拉伸率。
图1为叠层母排的内层覆膜钣金，折弯长度L1内=6.2mm，图2为叠层母排的的外层覆膜钣金，折弯长度L2内=14.06mm。
由图3所示可知，折弯拉伸后内层钣金折弯内经R1=5.5mm，覆膜外绝缘弧长L1外=8.64mm；外层钣金折弯内经R2=10.5mm，覆膜外绝缘弧长L2外=16.49mm。
内层覆膜钣金外绝缘膜随钣金折弯角R1拉伸最大拉伸率：
（L1外—L1内）/L1内=（8.64—6.2）/6.2= 39%
外层覆膜钣金外绝缘膜随钣金折弯R2角拉伸最大拉伸率：
（L2外—L2内）/ L2内=（16.49—14.06）/14.06= 17%
由计算可知，折弯R角小的绝缘膜拉伸率大，外绝缘膜实际的拉伸率远小于PET绝缘膜的最大延伸率115%，所以折弯设计满足母排所覆绝缘膜的物理性能要求。
（2）从产品使用的绝缘性能考虑
如图4所示，功率单元叠层母排的正、负极电气结构是：聚酯薄膜（厚度为0.25mm）—空气（中间空气间隙2.5mm）—聚酯薄膜（厚度为0.25mm）的结构，产品在折弯后正、负极距离增大相当于是多层保护。
0.25mm厚度的聚酯薄膜正常情况下能耐21kVAC的高压，在折弯后绝缘膜至少能耐10kVAC，还有2.5mm的空气做绝缘。所以，“0.25mm聚酯薄膜+2.5mm空气+0.25mm聚酯薄膜”的耐压值完全可以满足目前市场上IGBT最高电压等级6500V及以下功率单元的的耐压需求。
图3钣金覆膜折弯弧度示意图
3、覆膜折弯母排在功率单元设计中的应用
图4 折弯效果图
大功率变频电源的功率器件在开关过程中，由于从直流储能电容至IGBT器件之间直流母线上的寄生电感和IGBT单元自身电感的影响，会产生很高的尖峰电压，这会使器件过热，甚至使IGBT失控并超过器件的安全工作区而损坏。因而，必须将开关过程中产生的尖峰电压限制在允许范围内，方法之一就是减小直流回路功率母线的分布电感。叠层母排通过将同一回路的正、负导体压合在一起，使得分布电感相互抵消，实现低电感特性。对于实际应用中IGBT安装面与输出端子不在一个平面的情况，传统方式采用两块母排搭接的方式（见图5）。
本文采用一体式覆膜折弯设计结构如图6所示。
叠层母排的层与层之间用绝缘材料间隔，外用聚酯薄膜，三层压制封装而成。将传统方式中两块母排通过端子连接实现垂直面的电气连接优化为一块折弯式的叠层母排（如图6所示），该设计具有如下优点：
图5 不同平面的母排电气连接
（1）一体化设计，消除了两块母排搭接端子的分布电感；
（2）叠层粘胶热压一体成形，可以使绝缘层和铜板完全贴合，在没有气隙的条件下，能有效降低局部放电的发生率。
（3）一体式全密闭的结构可以耐受潮湿和盐雾等恶劣环境，采用绝缘材料封装工艺可以大大降低爬电击穿的威胁，提高层间绝缘性能。[2]
复合母排的这种设计、应用技术不仅满足了低感的要求，还使吸收回路和主电路的连接更方便快捷，采用大折弯的结构满足了功率单元特殊结构的电气连接需求，进一步简化了装置结构，缩小体积，提高了部件的可靠性、可用性、可维护性。
图6 一体式覆膜折弯母排结构
参考文献
[1]王尧，盛建华. 叠层母排的技术优势及应用综述. 变频器世界，1561-0330（2012）09-0055-06.
[2]陈明翊，马伯乐，陈玉其等. 低感母排技术在IGBT 变流器中的应用. 大功率变流技术，2095-3631(2012)06-0014-04.
作者简介
马瑞，女，（1983，9—），籍贯：陕西榆林，工作单位：中车永济电机有限公司，职称：工程师，毕业于西安理工大学控制理论与控制工程专业。
论文作者:马瑞,杨春宇
论文发表刊物:《电力设备》2016年第4期
论文发表时间:2016/6/6
标签：电感论文; 覆膜论文; 功率论文; 钣金论文; 单元论文; 电气论文; 结构论文; 《电力设备》2016年第4期论文;