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          IGBT变流器用低感母排技术

          研究IGBT器件的开关及特性对实现IGBT变流器的高性能具有重要的意义,IGBT DC Link主回路的寄生电感会影响IGBT的开关特性。本文研究IGBT 变流器中常用的叠层母排,分析IGBT尖峰电压产生和抑制的机理,建立了低寄生电感母排基本模型以进行仿真,阐述了换流回路杂散电感的组成和计算方法,以实验测试数据为基础研究IGBT开关性能;通过比较仿真、计算、实验结果,提出了优化低感母排EMC设计的原则。
          0 引言
          低感母排又称叠层母排,属于一种多层复合结构连接排,是目前电力电子设备中广泛采用的、重要的电气连接形式。与传统的配线方式相比,叠层母排不仅阻抗低、抗干扰能力强、可靠性高,而且装配简单、系统集成度高,有利于电气系统的结构化布线和安装,特别适合作为大功率变流器的电气连接结构部件。如何设计和制造具有低阻抗特性的低感母排是现代变流器设计的一个重要课题。
          1 IGBT 的过电压及其抑制方法
          功率半导体开关器件IGBT通常工作在高频开关状态。当IGBT 关断时,回路产生的尖峰电压瞬间加载于IGBT的集电极和发射极之间,形成的电压尖峰值会大大超过IGBT的额定电压值,可能导致开关器件因雪崩击穿而损坏。
          1.1 过电压的产生
          回路的寄生电感和分布电感通常被称为杂散电感(Stray Inductance),它是由与电流回路相交链的磁链引起的。电磁学中将电感L与磁链的关系定义为Ψ=LI(其中Ψ为磁场中由某一电流回路引起且穿过此回路面积的磁链),研究导体电感的实质就是研究载流导体产生的电磁场。
          将电感公式两边求导,得即:
          这就是回路中过电压的由来。式(1)中,Vpeak 为尖峰电压, di/dt为瞬时电流变化率。可见,降低过电压可以通过降低电流变化率和减小杂散电感值L 两种途径来实现。
          1.2 过电压的抑制方法
          工程上抑制IGBT 关断过电压的方法有多种,常用的如采用软开关技术、增加功率吸收电路等。软开关技术致力于降低IGBT 开关时的电流变化率di/dt,以保证IGBT在安全工作区(SOA)运行。功率吸收电路可以用于吸收IGBT关断时的过电压冲击。软开关驱动器和功率吸收电路都需要专门设计,这将增加变流器的制造成本。由于IGBT往往工作在高频状态下, di/dt本身很大,降低电流变化率往往面临实际操作的困难。相比之下,通过减小回路杂散电感值来抑制过电压是工程实践中普遍应用的方法。
          2 叠层母排与电感抑制
          2.1 叠层母排的特点
          相对于传统的分立母排,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,具有低电感特性。目前,叠层母排普遍采用粘胶热压成形工艺,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。全密闭结构的叠层母排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。
          2.2 叠层母排抑制电感的原理
          当高频大电流流经导体时,由于电流不是均匀地分布在导体内部,而是聚集于导体表层,因此会产生集肤效应。为了抑制回路杂散电感的产生,连接开关器件的导体通常采用由宽而平的铜板和绝缘层构成的叠层母排,正、负铜板位于绝缘层的两面并且重叠。对于半桥和全桥两电平拓扑结构,上、下桥臂开关管的位置一般布置得很靠近,器件之间的连接电感可以忽略,换流回路可简化为两叠层母排构成。以两电平半桥电路的换流过程为例,如图1 所示:当上管IGBT导通时,电流I1在正母排上产生磁链F1;在上管关断、下管尚未开通的死区时间里,因为负载的电感效应,负载电流I2 通过下管IGBT 的反并联二极管续流,在负母排上产生磁链F2。这样,在开关器件换流期间,正、负母排之间形成一对高频镜像电流,其大小相同、方向相反,在一定程度上抵消了彼此的磁场,使得叠层母排的回路电感得到抑制。
          换流回路的磁链
          图1 换流回路的磁链
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