大功率變流器系統(tǒng)H橋低感疊層母線排設(shè)計(jì)

　　電流路徑設(shè)計(jì)

　　如果連接線路和器件構(gòu)成一個(gè)“回路””， 即如圖3上半部分所示回路。換流回路上疊加的各感應(yīng)電壓將會(huì)和直流母線電壓一起加在功率器件上，產(chǎn)生關(guān)斷電壓尖峰。尖峰過高可能造成器件過壓擊穿、增大開關(guān)損耗、加劇共模干擾，甚至帶來局部放電的危險(xiǎn)。因此，在母線排結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)該盡量避免回路或者保持電流回路交叉。

　　電容安排設(shè)計(jì)

　　大功率器中分布雜散電感的抑制離不開緩沖電容和電解電容，出于成本考慮，一般選用鋁電解電容支撐母線直流電壓。由于其耐壓等級低，需要大量串并聯(lián)，連接線路上的雜散電感會(huì)造成各并聯(lián)電容間高頻電流分布不均勻，距離功率器件較近的電容會(huì)承受高于額定值的電流而急劇發(fā)熱，因此這兩者是工業(yè)工程應(yīng)用中的主要問題。在電容結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要影響因素有三個(gè)方面，分別是：電容端子設(shè)計(jì)方向、電容串聯(lián)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。圖4分別測量了不同電容端子設(shè)計(jì)電感的值，圖5給出了典型設(shè)計(jì)方案和主流低電感設(shè)計(jì)方案中電容串聯(lián)方式的不同。從圖中可以得出這樣的結(jié)論，電容端子的方向?qū)﹄姼杏休^大影響，而電容采用無環(huán)路串聯(lián)方式可以極大的降低母排電感。圖6給出了電容端子設(shè)計(jì)良好時(shí)母排電流的有限元分析，由圖可以看出在母線排表面電流分布十分均勻，等效作用降低了電感。

　　優(yōu)化后母排仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　有限元軟件分析結(jié)果

　　圖7為實(shí)際優(yōu)化后使用的H橋母線排結(jié)構(gòu)，在考慮到電流路徑和電容端子方向及其他優(yōu)化方式后，使用有限元分析軟件ANSOFT對其表面電流分布進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果如圖8所示。由圖中可以看出，除母線排開孔處由于渦流效應(yīng)導(dǎo)致的電流分布不均勻以外，整個(gè)母線排的電流分布比較均勻，由此造成的雜散電感經(jīng)過有限元軟件直接提取結(jié)果為21nH，可以滿足工業(yè)要求。

　　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

　　本節(jié)主要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行典型布局下的母線排IGBT過電壓波形與采用優(yōu)化后布局(如圖9)的比較。實(shí)驗(yàn)使用80KVA/400V變流器系統(tǒng)。圖10和圖11為實(shí)驗(yàn)得到的IGBT過電壓波形，其中圖11為采用典型布局的H橋母線排中測得的IGBT過電壓波形，圖12為采用優(yōu)化后布局的母線排中測得的IGBT過電壓波形。由圖中可以看出新型母結(jié)論

　　本文以80KVA/400A變流器系統(tǒng)為例，設(shè)計(jì)了一種新型的疊層母排，得到了以下結(jié)論。

　　(1)新型疊層母線的應(yīng)用使得各器件具有良好的關(guān)斷特性，可以減少吸收電容的使用個(gè)數(shù)，縮小系統(tǒng)體積，具有良好的電磁兼容特性。

　　(2)疊層母線的布局中應(yīng)注意電流路徑、電容端子布局等問題，可以有效的減少雜散電感，提高系統(tǒng)的抑制過電壓能力。