70典型叠层母排的应用案例

典型叠层母排的应用案例(苏州西典机电有限公司技术研发部，苏州215151)摘要：叠层母排是一种新兴、低电感、便捷的电气重要连接部件，由于其自身的优点，使其可在小、中、高功率变流场合普遍使用，不仅涉及光伏、风电产业，也可在各类变频器、整流装置中使用，是电力行业发展不可或缺的重要部件。本文具体探讨一下其实际的应用和效果。关键词：叠层母排；杂散电感；分布电感；IGBT；电压尖峰；浪涌电压0引言叠层母排又称为复合母排，层叠母排，层叠母线排，夹层汇流排，低感母排，电子母线，英文叫LaminatedBusbar（如图一所示），是一种多层复合结构的连接排，可算是配电系统的高速公路。与传统的、笨重的、费时和麻烦的配线方法相比，叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速和结构清晰的配电系统。它具有可重复电气性能、低电感、低阻抗、抗干扰、可靠性高、节省空间、装配简洁、快捷等特点，可作为大功率模块化的连接部件。叠层母排由于具有以上优点，因此广泛应用于光伏、风电、电力及混合牵引、电力制动单元、电力牵引设备、蜂窝通讯、基站、电话交换系统、大型网络设备、大中型计算机、电力开关系统、焊接系统、军事设备系统、发电系统、电动设备的功率转换模块等场所。图1.叠层母排外形图叠层母排的优点如下：1.较低的总体成本；2.可靠性高，安全性高；3.简洁紧凑的设计可节省很大的空间；4.自身具有很低的电感（对于IGBT等开关器件，可避免其由于浪涌电压而引起的击穿）5.很低的阻抗；6.大大降低安装出错的概率；7.便捷的现场安装及服务；8.增加了分部电容；9.在相同情况下，与电缆相比，载流能力大大提升；10.在相同的载流情况下，与电缆相比，其温升更低。对于叠层母排来说，其昀重要的优点就是自身的低电感，这是其他母线无法代替的。本文对叠层母排的优点进行说明后，再对电力器件产生的浪涌电压机理进行说明，分析采用叠层母排对于电力行业的必要性，昀后，采用实例进行说明和论证。1逆变电源开关浪涌电压的产生机理前面说过叠层母排可避免由于浪涌电压所引起的开关器件的击穿，下面简单用IGBT说明一下杂散电感对于电力设备所产生的严重影响。IGBT作为半导体开关器件，在工作中有断态、开通、通态、关断四种工况，开关电压尖峰主要产生于IGBT的开关状态转换过程中。图2。逆变电源的典型主电路结构图2为逆变电源某一相的典型主电路结构，主要由直流侧支撑电容、直流母线排、开关器件和负载组成。实际应用中，由于线路中不可避免的存在分布参数，因此，在直流侧支撑电容和开关器件之间存在线路分布电感Ls。线路分布电感Ls包括直流侧电容的寄生电感、螺栓引脚杂散电感、主回路母线的杂散电感及开关器件IGBT的寄生电感[1]。在T1关断的瞬间，电感Ls会阻止电流迅速减小，会在Ls两端感应出瞬态尖峰电压ΔU（方向如图2中所示为左负右正），大小由下式决定：ΔU=Ls*di/dt（式1）因此，T1关断时承受的电压为Vd+Ls*di/dt，即IGBT开关动作时的电压电流应力和主回路中的分布电感有着非常重要的关系，IGBT工作在一定的di/dt时，产生的电压尖峰和分布电感大小就成正比。在大功率逆变电路中，开关器件需要承受的di/dt可达2kA/μs甚至3kA/μs，因此其浪涌电压会非常的高，会导致很多严重的问题出现，如造成器件过压（即击穿IGBT），输出谐波增加，开关器件的损耗增加，产生严重的EMI干扰等。对于一定功率的逆变电路来说，其分布电感中包含有直流侧电容、螺栓引脚杂散电感、开关器件的寄生电感和主回路母线的杂散电感。由于电容和开关器件的寄生电感由于制作工艺的限制无法降低，因此，分布电感的降低主要依赖于主回路母线的杂散电感的降低。如果采用设计不当的母线会造成杂散电感过高，产生很高的浪涌电压，这样会对IGBT及整个电路造成非常严重的损坏。而如果采用设计优良的低电感母线，不仅可大幅降低浪涌电压，还可省去吸收电路，降低IGBT的选型电压，对于整个系统的成本降低和安全性提高都有很大的帮助。2叠层母排与传统母排的比较在主电路中，由于开关器件、直流侧电容的寄生电感等一般都无法改变，而抑制开关电压尖峰的昀根本措施，就是降低主回路母线的分布电感。作为直流侧支撑电容与开关器件的电气连接，一般有以下四种形式：1）平行排列的铜条或铜板。其特点是制作简单、易实现，对于电压尖峰的抑制有一定的效果，但互感依然很大，适用于功率较大但性能要求很低的场合。2）电缆绞线。其特点是价格便宜，使用方便，但电缆的自感和互感都很大，性能较差，且载流量不大。适用于性能要求不高、功率不大的场合。3）同轴电缆。其特点是使用方便，且同轴电缆的互感不大，但价格较贵，载流量不大，适用于性能要求一般的低功率场合。4）叠层母排。其结构是将两层或多层铜排叠在一起，铜板层与层之间用绝缘材料进行电气隔离，通过相关工艺将导电层和绝缘层压制成一个整体。它的优势是将连接线做成了扁平的截面，在同样的电流截面下增大了导电层的表面积，同时导电层之间的间隔大幅降低，由于邻近效应使得相邻导电层流过相反的电流，它们产生的磁场相互抵消，从而使得线路中的分布电感大幅降低。另外由于其扁平的外形特征，其散热面积大幅增加，这样有利于其载流量的提升。各种母线结构的电感对比如下图所示[2]：图3.各种结构母线的电感比较从图3可看出叠层母线的电感远远小于其他三种母线形式，因此，从降低系统整体成本及增加系统的可靠性、安全性角度考虑，采用叠层母排是非常有必要的。3叠层母排的具体应用以上我们定性的分析了一下叠层母排的优点，但是叠层母排的应用还需要具体的说明，下面我们将具体举例说明采用叠层母线的应用和实际效果。3.1原设计方案我们某一客户的逆变单元设计方案参数如下：直流母线电压Vd=800V，流过IGBT的电流I=125A，母排的杂散电感约为760nH，选用的IGBT额定电压为1700V。其具体的结构图如下所示：图4.原设计方案结构图由于原设计中母线采用铜排直接接入，这样正负排之间的互感会非常的大，我们根据电磁学原理，大致计算约为760nH。具体公式如下：)12(0dtwlLeLiLsr式（2）式中：μ0为真空磁导率；μr为导体的相对磁导率，l为导体的长度，w为导体的宽度，d为上下两层的间隙[1]。这样客户选用IGBT时必须多留有余量，即选用了额定电压为1700V的IGBT，并且客户还需选用额定电压为1700V，2.0μF的吸收电容来吸收电压尖峰，这样才能勉强达到其性能要求。另外，这种结构中风扇采用吹风的形式进行散热，这对于交流输出A相的IGBT来说，其热量会产生堆积，温升会非常高，这样会影响其工作的稳定性。并且没有设计专门的风道，整体的散热会受到很大的影响。3.2现设计方案为了将此结构进行简化，且完全满足客户的要求，我们采用了叠层母线进行整体设计。其具体的结构图如下所示：图5.现设计方案结构图（视角1）图6.现设计方案结构图（视角2）其具体的三维爆炸图见下图所示：图7.现设计方案结构爆炸图（视角1）图8.现设计方案结构爆炸图（视角2）这种结构中的叠层母排具体结构如下图所示：图9.叠层母排结构爆炸图我们根据式（2）得出现设计方案的叠层母排电感为0.3nH左右，远远小于原设计方案中母线的电感，这样可以大幅降低线路的分布电感，避免很高的电压尖峰出现，可以保护IGBT不被击穿。通过对比，我们可以得出原设计与现设计方案的各个优缺点：1.原设计方案中母线带来的杂散电感很大，而现设计方案中的叠层母排带来的杂散电感非常微弱，这样可以整体降低线路的分布电感，大幅降低IGBT两端的电压尖峰，防止浪涌电压击穿IGBT，这样还可以省去IGBT两端的吸收电容，并且IGBT选型时可选择额定电压稍低的等级，大大降低的整个系统的成本。2.原设计方案中的母线由于考虑到安全距离、爬电距离和其他安装问题，设计出来的母排比较复杂，不易加工，而且安装时也比较繁琐，也容易出现安装错误，导致事故出现。而现设计方案中的叠层母排整体化安装，安装方便，不需要考虑其他问题，只需要保证安装点螺栓紧固即可。3.原设计方案中的母线需要考虑到绝缘安全问题，如果有污秽物、粉尘或者其他导电异物进入，会很容易导致短路，发生严重的事故。而现设计方案中的叠层母排完全可以避免此类事情发生，由于其边缘封闭，保证了异物无法入侵。因此安全可靠性高，无故障运行可达20年之久。4.原设计方案中的母线考虑到空间尺寸和载流量，选用了又厚又窄的铜排，不仅电阻大，而且散热很差，导致温升较高。而现设计方案中的叠层母排不仅又扁又宽，电阻较小，而且外表面覆有一层导热性非常好的绝缘膜，因此，其散热性非常好，长期工作温升很低，还有提升载流量的空间，并且可以在短时间内通过大电流，而不会损坏。因此，从安全可靠性和成本的角度考虑，叠层母排要比传统的其他形式母排占用很大的优势。另外，现设计方案采用三个大功率风扇进行散热，且设计有专门的风道使冷风先对电容进行冷却，保证了电容的稳定性和相对较长的寿命。三个IGBT均有相同的冷却条件，不存在整体的冷热不均，保证了IGBT的整体稳定性和系统的协调性。3.3试验比较之前从理论角度分析了叠层母排的优势，下面从实际的试验来进行分析。我们将原设计的方案和现设计的方案分别放置在我公司的实验平台上，通过PWM调制和负载大小调试出所需的直流侧电压和电流。再通过我们专业的高速数据采集系统进行实时数据采集，将IGBT两端的关断电压进行记录，得出其数据。为了进行准确的横向比较，我们将原设计方案中的IGBT两端吸收电容取下，得到如下图形：1）原设计方案IGBT两端的关断电流、电压波形为：图10.原设计方案IGBT两端关断电流、电压波形图由于直流侧电容的寄生电感约为100nH，螺栓引脚处的电感约为120nH，IGBT寄生电感约为20nH，加上原设计方案中母排的总电感约为760nH，因此，总的线路分布电感约为1000nH左右。这样的话，根据公式（1），得出感应电压为：ΔU=Ls*di/dt=1000x10-3x125/0.28≈446V其中dt为IGBT关断下降时间（0.28μs），这样IGBT两端的总电压为：Ut=Ud+ΔU=800+446=1246V这与实际测量值基本一致，因此，原设计方案必须加吸收电容，且IGBT的额定电压需选择1700V的等级。2）现设计方案IGBT两端的关断电流、电压波形为：图11.现设计方案IGBT两端关断电流、电压波形图与上面方法一致，先计算总的线路分布电感Ls：Ls=0.3+100+120+20=240.3nH其中母线杂散电感为0.3nH。IGBT两端感应电压为：ΔU=Ls*di/dt=240.3x10-3x125/0.28≈107V其中dt为IGBT关断下降时间（0.28μs），这样IGBT两端的总电压为：Ut=Ud+ΔU=800+107=907V这与实际测量值基本一致，因此，现设计方案不需加吸收电容，IGBT的额定电压可选择1200V的等级，大幅降低了IGBT被击穿的概率。4总结本文从叠层母排的低电感优点入手，探讨了叠层母排在降低电力器件关断时的浪涌电压方面具有的巨大优势，并举例说明了叠层母排在电力行业的普遍应用，还对其进行了实验验证。这更加说明了叠层母排对于整个电力行业的深远影响。它不仅可以提高整个系统的安全可靠性，而且可以降低整个系统的成本，因此叠层母排是如今现代化电力母排的发展方向，且随着电力行业的飞速发展，叠层母排的发展前景将更加光明。参考文献：[1]柳彬，吴浩伟，等.大功率逆变电源IGBT关断电压尖峰抑制研究[J].舰船科学技术，2009（12）：31.[2]DouglasC.Hopkins,Ph.D.LaminatedBusBar[M].UniversityatBuffalo,2006.