疊層母排結(jié)構(gòu)在交流逆變焊機(jī)上的應(yīng)用

李磊

（山東奧太電氣有限公司，山東濟(jì)南 250000）

疊層母排結(jié)構(gòu)在交流逆變焊機(jī)上的應(yīng)用

李磊

（山東奧太電氣有限公司，山東濟(jì)南 250000）

本文從疊層母排的低電感優(yōu)點(diǎn)入手，探討了疊層母排在逆變焊機(jī)結(jié)構(gòu)方面具有的巨大優(yōu)勢(shì)，還對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這更加說明了疊層母排對(duì)于焊機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化深遠(yuǎn)影響。介紹了疊層母排的構(gòu)成和優(yōu)點(diǎn)， 對(duì)疊層母排技術(shù)進(jìn)行理論分析，針對(duì)逆變焊機(jī)的電路特點(diǎn)，與傳統(tǒng)銅條方案進(jìn)行對(duì)比分析。最終得出結(jié)論：疊層母排結(jié)構(gòu)是如今逆變焊機(jī)內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，且隨著逆變焊機(jī)市場(chǎng)的飛速發(fā)展，發(fā)展前景將更加光明。

疊層母排 逆變焊機(jī) 理論分析

針對(duì)交流逆變焊機(jī)，二次逆變模塊、電容等數(shù)量多，相互之間連接復(fù)雜的特點(diǎn)，本文提出了一種自制疊層母線技術(shù)的新型功率母線。通過整機(jī)調(diào)試證明，這種功率母線很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的目的和意圖，器件運(yùn)行良好，溫升顯著下降。

1　疊層母排結(jié)構(gòu)的構(gòu)成和優(yōu)點(diǎn)

所謂疊層功率母線，是把一個(gè)電力電子應(yīng)用裝置中的所有不同電位的連線以又薄又寬的銅排形式迭放在一起，各層之間用很薄的高絕緣材料隔離，各層銅排都在都在所需要的端子位置處同其他層可靠絕緣的引出，使所有具有不同電位的端子表露在同一平面上，便于主電路中所有器件與之相連。

主要優(yōu)點(diǎn)：（1）較低的總體成本；（2）結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)，可以節(jié)省很大的空間空間；（3）自身具有很低的電感（對(duì)于IGB等開關(guān)器件，可避免其由于浪涌電壓而引起的擊穿）；（4）大大降低安裝出錯(cuò)的概率；（5）便于現(xiàn)場(chǎng)的安裝及維修；（6）在相同情況下，與電纜相比，載流能力大大提升；（7）在相同載流的情況下，與電纜相比，其溫升更低；（8）簡(jiǎn)潔、美觀。

對(duì)于疊層母線來說，最重要的優(yōu)點(diǎn)是自身的低電感，這是其他母線無法替代的。

2　理論分析

逆變焊機(jī)開關(guān)浪涌電壓的產(chǎn)生機(jī)理，IGBT作為半導(dǎo)體開關(guān)器件， 在工作中有斷態(tài)、開通、通態(tài) 、關(guān)斷四種工況，開關(guān)電壓尖峰主要產(chǎn)生于IGBT的開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中。實(shí)際應(yīng)用中，由于線路中不可避免的存在分布參數(shù)，因此，在直流側(cè)支撐電容和開關(guān)器件之間存在線路分布電感Ls。線路分布電感Ls包括直流側(cè)電容的寄生電感、螺栓引腳雜散電感、主回路母線的雜散電感及開關(guān)器件IGBT的寄生電感。在T1關(guān)斷的瞬間，電感Ls會(huì)阻止電流迅速減小，會(huì)在Ls兩端感應(yīng)出瞬態(tài)尖峰ΔU，大小由下式?jīng)Q定：ΔU=Ls*di/dt。因此，T1關(guān)斷時(shí)承受的電壓為Vd+Ls*di/dt，即IGBT開關(guān)動(dòng)作時(shí)的電壓電流應(yīng)力和主回路中的分布電感有著非常重要的關(guān)系，IGBT工作在一定的di/dt時(shí)，產(chǎn)生的電壓尖峰和分布電感大小就成正比在大功率逆變電路中開關(guān)器件需要承受的di/dt可達(dá)2kA/μs甚至3kA/μs，因此其浪涌電壓會(huì)非常的高，會(huì)導(dǎo)致很多嚴(yán)重的問題出現(xiàn)，如造成器件過壓（即擊穿IGBT），輸出諧波增加，開關(guān)器件的損耗增加，產(chǎn)生嚴(yán)重的EMI干擾等。

圖1　

圖2　

對(duì)于一定功率的逆變電路來說，其分布電感中包含有直流側(cè)電容、螺栓引腳雜散電感、開關(guān)器件的寄生電感和主回路母線的雜散電感。由于電容和開關(guān)器件的寄生電感由于制作工藝的限制無法降低，因此，分布電感的降低主要依賴于主回路母線的雜散電感的降低。如果采用設(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)哪妇€會(huì)造成雜散電感過高，產(chǎn)生很高的浪涌電壓，這樣會(huì)對(duì)IGBT及整個(gè)電路造成非常嚴(yán)重的損壞。而如果采用設(shè)計(jì)優(yōu)良的低電感母線，不僅可大幅降低浪涌電壓，還可省去吸收電路，降低IGBT的選型電壓，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的成本降低和安全性提高都有很大的幫助。

因此，從降低系統(tǒng)整體成本及增加系統(tǒng)的可靠性、安全性角度考慮，采用疊層母排是非常有必要的。

3　疊層母排結(jié)構(gòu)在交流逆變焊機(jī)上的應(yīng)用

以上我們分析了疊層母線的優(yōu)點(diǎn)，下面我們舉例說明疊層母線在逆變焊機(jī)上的應(yīng)用效果。

3.1原方案設(shè)計(jì)，銅條連接

直流母線上的電壓Vd=600V，母線的雜散電感約為760nH，IGBT的平均溫升90度，銅條的平均溫升60度。選用的IGBT額定電壓約為1700V。

具體的結(jié)構(gòu)如圖1。

這樣選用IGBT時(shí)必須多留有余量，即選用了額定電壓為1700V的IGBT，并且還需選用額定電壓為1700V，2.0μF的吸收電容來吸收電壓尖峰，這樣才能勉強(qiáng)達(dá)到其性能要求。另外，這種結(jié)構(gòu)中風(fēng)扇采用吹風(fēng)的形式進(jìn)行散熱，這對(duì)于交流輸出A相的IGBT來說，其熱量會(huì)產(chǎn)生堆積，溫升會(huì)非常高，這樣會(huì)影響其工作的穩(wěn)定性。并且沒有設(shè)計(jì)專門的風(fēng)道，整體的散熱會(huì)受到很大的影響。

3.2疊層母排方案

為了將此結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，且完全滿足要求，我們采用了疊層母線進(jìn)行整體設(shè)計(jì)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案的疊層母排電感為0.3nH左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于原設(shè)計(jì)方案中母線的電感，這樣可以大幅降低線路的分布電感，避免很高的電壓尖峰出現(xiàn)，可以保護(hù)IGBT不被擊穿。并且IGBT的溫升降低20度左右，銅板溫升降低15度；如圖2所示。

4　結(jié)語

本文從疊層母排的低電感優(yōu)點(diǎn)入手，探討了疊層母排在逆變焊機(jī)結(jié)構(gòu)方面具有的巨大優(yōu)勢(shì)，還對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這更加說明了疊層母排對(duì)于焊機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化深遠(yuǎn)影響。它不僅可以提高整個(gè)焊機(jī)系統(tǒng)安全可靠性，而且可以降低成本，因此疊層母排結(jié)構(gòu)是如今逆變焊機(jī)內(nèi)部連接結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向，且隨著逆變焊機(jī)市場(chǎng)的飛速發(fā)展，發(fā)展前景將更加光明。

［1］盛全華，周蓉.疊層功率母線［J］.船電技術(shù)，2006，2.

［2］呂士斌，章國寶.疊層功率母線在大功率變頻電源上的應(yīng)用［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（1）.

［3］王青，盧林輝.功率變換器疊層母排優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.電力與能源，2013，34（1）.

李磊（1984—），男，漢，山東濟(jì)南人，本科，助理工程師，研究方向：電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。