叠层母排低电感相关设计

文档密级：外部公开叠层母排设计能力指导———电感部分作者：唐英才文档密级：外部公开寄生电感对开关器件的影响及应对方法2序号抑制方法备注应用1使用叠层母排（减低母线电感）1.从根源上大幅降低直流母线的寄生电感值（约80%）；2.更加紧凑、简洁、容易维护和安装；3.相对传统铜排会增加一定的成本。常见2增加功率吸收电路1.需要设计者设计时在IGBT端口预留更多空间；2.增加成本,治标不治本。常见3软开关技术1.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；2.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。极少见（大功率领域）直流回路的寄生电感和分布电感通常被称为寄生电感(StrayInductance)，它是由与电流回路相交链的磁链引起的。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（C）和发射极（E）之间，形成的电压尖峰（△U）会超过IGBT的额定电压，导致IGBT击穿。图1IGBT关断时的Uce和Ic曲线文档密级：外部公开寄生电感测试手段3实际测量图3电感测试设备图2寄生电感测试原理图1基于业内公认的脉冲测试方法和寄生电感测试平台。仿真测试图4仿真视图基于SildWorks3D建模和AnsoftQ3D仿真软件文档密级：外部公开寄生电感测试原理4didtLstray×U△（1）测试原理：选取整流设备任意一相IGBT下桥为检测对象，用高压隔离探头测取Uce(测取下桥Uce)，用高频电流探头测取Ic，原理图见下图1，用高频隔离探头测得尖峰电压△U，用高频电流探头测取电流的波形计算di/dt,通过下式1计算母线电感值：图5寄生电感测试原理图2（1）图6实测波形图序号测试设备/器件型号1IGBT英飞凌FF600R17ME42示波器泰克DPO2024B3高频电流探头泰克TCP01504差分电压探头泰克P5210A表1测试设备/器件列表文档密级：外部公开寄生电感相关测试（1）5为了探究是否叠层和铜牌厚度对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm，宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：实验结果：由左图7可知，叠层母排电感值28.03nH(平均值，下同），比传统铜排的电感132.70nH降低80%。原因分析：叠层母排使电路的正负母排磁链互相抵消，大大的减低了回路的电感值。实验结果：由左图8可知，叠层母排的电感值与铜排厚度呈正相关，从1~2.5mm每增加1mm，电感值增加约30%。原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的磁链相互低调的部分减少，以致其电感值增加。图7叠层母排与传统铜排电感对比图图8母排电感值与铜排厚度的关系图文档密级：外部公开寄生电感相关测试（2）6为了探究是否压合和层间距离对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm，宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：实验结果：由左图5可知，经过压合后的母排电感值28.03nH(平均值，下同），比未压合的母排电感值32.57nH降低16.2%。原因分析：未压合的母排安装时铜排会产生形变，导致实际的层间距离大于设定值，实测0.5mm层间距离的母排部分区域层间距离近1~1.5mm。实验结果：由左图6可知，叠层母排的电感值与层间距离呈正相关，从0.5~3.5mm每增加0.5mm，电感值增加约10%。原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的磁链相互低调的部分减少，以致其电感值增加。图9压合前后叠层母排电感对比图图10母排电感值与层间距离的关系图为了探究是否压合和层间距离对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm，宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：实验结果：由左图9可知，经过压合后的母排电感值28.03nH(平均值，下同），比未压合的母排电感值32.57nH降低16.2%。原因分析：未压合的母排安装时铜排会产生形变，导致实际的层间距离大于设定值，实测0.5mm层间距离的母排部分区域层间距离近1~1.5mm。实验结果：由左图10可知，叠层母排的电感值与层间距离呈正相关，从0.5~3.5mm每增加1mm，电感值增加约10%。原因分析：层间距离增加时正负极母排产生的磁链相互抵消的部分减少，以致其电感值增加。文档密级：外部公开仿真结果与实测结果对比7序号结果类型层间距离0.5mm层间距离1.5mm1实测结果28.03nH(压合）32.57nH（不压合）37.57nH（不压合）2仿真结果28.73nH30.26nH表2测试母排实测值与仿真值对比列表图11P665母排仿真界面及结果（37.96nH)文档密级：外部公开仿真结果（不同连接方式对母排电感值的影响）8图12不同结构/流向对母排电感值的影响11.8nH100%10.8nH90%9.9nH80%仿真参数设定电压：1200VDC设定电流：200A层间距离：0.5mm铜板尺寸：160mm*95mm*1.5mm电流端子尺寸：15mm*10mm电容槽口尺寸：20mm*20mm注：此处电感增减趋势会因电流方向改变而发生改变。文档密级：外部公开仿真结果（不同连接结构对母排电感值的影响）9图13不同连接结构对母排电感值的影响9.9nH16.7nH3.1nH10.4nH电容槽口增加6.8nH电流端口增加7.3nH复合电感增加13.6nH理想母排文档密级：外部公开仿真结果（层间距离对母排电感值的影响）10层间距离（0.5mm)电感5.97nH层间距离(1.0mm)电感7.53nH层间距离(2.0mm)电感10.65nH层间距离(1.5mm)电感9.08nH距离增加0.5mm电感增加26%距离增加0.5mm电感增加21%距离增加0.5mm电感增加17%图14层间距离对母排电感值的影响文档密级：外部公开仿真结果（铜排厚度对母排电感值的影响）11铜板厚度（1mm)电感3.83nH铜板厚度（4mm)电感10.17nH铜板厚度（3mm)电感8.07nH板厚增加0.5mm电感增加2.14nH板厚增加0.5mm电感增加2.10nH板厚增加0.5mm电感增加2.10nH铜板厚度（2mm)电感5.97nH图15铜板厚度对母排电感值的影响文档密级：外部公开仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）12铜板厚度(mm)不同层间距离（mm）时的电感值（nH）平均每mm铜板电感增幅（nH，平均值）0.51.01.52.03.01.03.835.547.018.6011.762.05.977.539.0810.6513.772.053.08.079.6111.2112.7215.862.09平均每mm间距电感增幅（nH，平均值）3.233.073.113.14/结论母排的电感值与板厚、层间距离程线性关系，1000*1000mm尺寸的母排铜板厚度每增加1mm电感增加约2nH,层间距离每增加1mm电感增加约3nH。表3母排层间不同距离、厚度对应电感值列表文档密级：外部公开仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）13非叠层面积（0cm^2)电感5.97nH非叠层面积(100cm^2)电感6.75nH非叠层面积(200cm^2)电感11.67nH非叠层面积(200cm^2)电感8.46nH每1cm^2非叠层区域产生0.008nH电感每1cm^2非叠层区域产生0.017nH电感每1cm^2非叠层区域产生0.032nH电感图16不同非叠层面积对母排电感值的影响文档密级：外部公开仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）14层间距离(mm)不同非叠层面积（cm^2）时的电感值（nH）01002004000.55.976.758.4611.671.07.538.3510.0413.25单位面积电感值(nH/cm^2)0.0080.0130.032非叠层面积(cm^2)单位面积电感系数K3(nH/cm^2)0~1000.008100~2000.013200~4000.032注：1）若非叠层面积为150cm^2，则L=100*0.008+50*0.013；2）此表格不适用于IGBT端子的电感计算。表4母排不同非叠层面积对电感影响系数列表文档密级：外部公开仿真结果（非叠层路径/电容孔距离对电感的影响）15孔距（60mm)电感54.02nH孔距（120mm)电感65.63nH孔距（100mm)电感61.85nH孔距增加20mm电感增加4.93nH孔距增加20mm电感增加2.92nH孔距增加20mm电感增加3.76nH孔距（80mm)电感58.95nH图17不同非叠层路径对母排电感值的影响文档密级：外部公开仿真结果（非叠层路径对母排电感值的影响）16路径长度(mm)6080100120140平均值电感值（nH）54.0258.9561.8765.6369.2761.95电感差值（nH）/4.932.923.763.643.81电感/长度比（nH/mm）/0.2460.1460.1880.1820.191结论非叠层路径对电感的加成比例系数(K4)0.191（nH/mm）注：此系数适用于串联母排、电容孔距等结构的电感计算。表5母排不同非叠层路径对电感影响系数列表文档密级：外部公开仿真结果（不同端子长度对母排电感值的影响）17图18不同端子长度对母排电感值的影响27.3nH88%端子长：25mm23.8nH77%端子长：20mm20.7nH67%端子长：15mm31.0nH100%端子长：30mm该仿真过程中，端子每增加1mm,电感增加约0.6nH文档密级：外部公开实际案例（不同端子长度对母排电感值的影响）18图19优化前客户原母排结构及仿真48nH(端子长51mm)图20优化后我司设计母排结构及仿真40nH(端子长30mm)图21优化前客户原母排结构及仿真33nH（端子长50mm）图22优化前客户原母排结构及仿真23nH（端子长30mm)优化优化端子每减少1mm,电感降低0.4nH端子每减少1mm,电感降低0.5nH结论IGBT端子电感系数K5约0.5（nH/mm）文档密级：外部公开相关结论电容排到IGBT路径尽量短中间绝缘层尽量薄铜排厚度尽量薄叠层正负母线尽量(S)无余留（K1）IGBT端子(l1)尽量短（K2)非叠层路径(l2)尽量短（K3）导体宽度尽量宽19Lstray=100%文档密级：外部公开优化案例(1)20图23优化前客户原母排结构及仿真优化前48nH优化案例应用设备：光伏逆变器技术参数绝缘耐压：3500VDC1min2mA额定电压：1200VDC额定电流：700A外形尺寸：440mm*261mm*57mm爬电距离/电气间隙：16.6mm/8mm优化内容：IGBT端子长度、非叠层面积。电感值减少20%图24优化后我司设计母排结构及仿真优化后40nH文档密级：外部公开优化案例（2）21图25优化前客户原母排结构及仿真优化前21.4nH图26优化后我司设计母排结构及仿真优化后19.2nH优化案例应用设备：APF（有源滤波器）技术参数绝缘耐压：4000VDC1min2mA额定电压：1000VDC额定电流：750A外形尺寸：339.5mm*316mm*27mm优化内容：电流路径、铜板层数。电感值减少11.5%成本减少30%文档密级：外部公开优化案例（3）22优化案例应用设备：光伏逆变器（三电平）技术参数绝缘耐压：3500VDC1min2mA额定电压：1000VDC额定电流：300A外形尺寸：447mm*390mm*109.2mm优化内容：端子长度、非叠层面积。电感值减少30nH（50%）优化前60nH优化后30nH图27优化前客户原母排结构及仿真图28优化后我司设计母排结构及仿真谢谢