大容量三电平逆变器叠层母排的研究论文_彭小超,胡艾红

摘要：1500V大容量集中式三电平逆变器，分布杂散电感对IGBT的关断特性有着重要影响，叠层母排的设计能有效减小杂散电感，抑制各功率器件的关断电压尖峰，省去吸收电容，使结构紧凑。本文提出了一种复合铜排的设计，通过理论与仿真计算了该设计方案的杂散电感，并用实验加以验证，最后给出了系统结构和实验波形。

关键词：三电平逆变器，杂散电感，叠层母排

1 引言

直流母线回路电感的大小与母线的连接方式有很大关系，通常采用的铜排连接由于正负母线间距较大，因此回路面积较大，导致较大的等效电感。叠层平面母排由紧密贴合的正负极铜板和夹在两者之间的绝缘材料构成三明治结构，绝缘片采用高绝缘强度材质，厚度较小，保证了正负铜板之间极小的回路面积，减小了等效电感。

本文提出了一种复合叠层母排设计，以1500V 大容量逆变器为研究对像，最后通过仿真和实验加以验证，证明是该叠层铜排的设计是有效的。

2 三电平逆变器换流回路杂散电感的影响分析

三电平逆变器存在换流过程，研究其中输出相电压为正的换流情况，其中IGBT由开通转为关断的基本状态有两种，其他状态都可以依此类推，图1（a）表示T1正在关断，T3正在开通，电流流向负载端（为正方向），图1（b）表示T3正在关断，T1正在开通，电流流向直流侧（为负方向）。在换流过程中，电流IT1或IT3正在减小，电流IDc1或IDF正增大，这两路突变电流会在其经过的各段连接线路和器件的杂散电感上感应产生高频电压，如下图1（a）与图1（b）所示，这些铜排连接线路和器件构成一个“换流回路”。

换流过程中产生的感应电压为：

式中， 为T1管换流过程中各段连接铜排及器件杂散电感的总和。

IGBT T1管上的电压应力为：

可见，换流回路上叠加的感应电压与直流电压一起加在图1（a）的T1，或图1（b）的T3上，产生关断电压尖峰。尖峰过高，可能会导致IGBT过压击穿、开关损耗增大等负面问题。杂散电感 越小，T1管的应力UT1越小。

本文提到的复合叠层母排就是尽可能的减小各IGBT在换流过程中的杂散电感。

3 低杂感母线铜排的设计

3.1 多层母排的叠层原理研究

叠层母排如下图2所示，平面母排的总电感由两部分组成：每块铜板磁通自铰链产生的内电感 ，磁通穿过两块极板包围面积造成的外电感 ，内电感 可用如下公式计算：

式中 是相对磁导率， 为空气磁导率。上式说明，内电感 与平面母线的长度L成正比，与铜排间的间距无关，为了减小铜排的杂感感量，应尽可能减小铜排长度。

当 和 时，外电感 可以近似得到：

若 ，式可以简化为：

由上式可知，如果平面母排长度L越短，铜排间距d越小，铜排宽度w越大，叠层母排的内、外电感就越小。

3.2 三电平逆变器的叠层母排设计

三电平逆变器采用半桥IGBT模块（集成两个IGBT管），共采用3个IGBT模块，如下图3所示，即IGBT模块1/2/3，有AC1铜排、AC2铜排、P铜排、0极铜排、N铜排共五层，依次分别为：AC1铜排为模块2连接至模块3之间的铜排，AC2铜排为模块1至模块3之间的铜排，正极、中点N极、负极。0铜排位于P铜排与N铜排中间，磁场可以相互抵消，且0铜排与P铜排间的最高耐压仅为750Vdc，非最高电压为1500Vdc，减小了绝缘材料的强度要求；AC1铜排位于上面第二层，AC2铜排位于最上面一层。

4 仿真与实验结果

4.1 杂散电感仿真分析

用Q3D仿真软件得到，T1管换流回路的杂感仿真值为35nH，同样可仿真得到T4管换流回路的杂感仿真值为22nH。

4.2 实验结果分析

将上述方案设计的叠层母排，与功率模组一起做双脉冲测试，测试方法为：将T2管的e极与直流母线的N点用空心电感短接，T1管关断，T2发双脉冲，T3管常通，T4管关断，如图5，Vdc加载400V~750V电压，T1发双脉冲，T2管常通，T3与T4管常关断；当Vdc侧加750Vdc，第二个脉冲导通时刻，如图6所示：

T1管电压Vce在第二个脉冲导通时刻产生的缺口电压△U约为192V；T1管电流变化率为 ；二极管反向恢复电流△I=278A，反向恢复后电流的拖尾时间约为0.521us；杂散电感Ls=△U/（ ）=39.97nH；因此IGBT T1管对应的换流回路杂散电感为39.97nH。将其他IGBT管按同样方法做双脉冲测试，测得的杂感及电压尖峰如下表1：

可见，在直流侧最高输入1500Vdc时，T2管的最高电压应力为1038V，满足1200V IGBT的规格要求，铜排的杂散电感设计是满足要求的。

（黄色为双脉冲电压，绿色为Vce电压，红色为电流）

5 总结

本文研究了大容量三电平逆变器换流回路杂散电感的影响，及叠层母排杂散电感的产生机理，及对IGBT关断特性的影响。以1500V大容量逆变器为研究对像，仿真与实验证实了复合的叠层母排设计能有效减小铜排杂感，并减小关断剑锋，省掉吸收电容，使结构紧凑，是可行的方案。

参考文献：

[1]易荣，赵争鸣，袁立强. 高压大容量变换器中母排的优化设计[J].电工技术学报，

[2]吴文力，赵治华，潘启军，陶涛. IGBT复合母排换流回路电感研究 [J].电力电子技术，2013，47（2）：36～40.

论文作者:彭小超,胡艾红

论文发表刊物:《电力设备》2017年第17期

论文发表时间:2017/10/23

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