迭層功率母線及其在電力電子裝置中的應(yīng)用分析

王真

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

1 迭層功率母線的作用

相關(guān)研究結(jié)果表明，電力電子裝置采用GTR器件在開關(guān)頻率為2 kHz時(shí)，變頻器總寄生電感應(yīng)控制在60 nH以內(nèi)；采用IGBT器件在開關(guān)頻率為16 kHz時(shí)，總寄生電感應(yīng)控制在30 nH以內(nèi)。傳統(tǒng)圓直導(dǎo)線的寄生電感約為8 nH/10 cm，因此，IGBT變頻器連接線長度不能超過40 cm，但在常規(guī)結(jié)構(gòu)中難以實(shí)現(xiàn)。迭層功率母線是基于電磁學(xué)理論設(shè)計(jì)的新型功率母線，通過將電力電子裝置中所有不同電位的連接線用薄而寬的銅排形式迭放起來，在各層次之間采用高絕緣強(qiáng)度材料粘合。在此情況下，各層銅排能夠在對應(yīng)端子位置與其他層的可靠絕緣地引出，從而使不同電位端子集成在同一平面，方便器件連接?？梢詫GBT器件與電容器、散熱器、整流管、柵極驅(qū)動(dòng)電路等通過迭層功率母線組合成一體，減小寄生電感數(shù)量級，將過電壓應(yīng)力降至最低，從而為電力電子裝置的運(yùn)行穩(wěn)定性提供保障。

迭層功率母線的應(yīng)用能簡化電力電子裝置組裝過程，降低成本。迭層功率母線屬于無感功率母線，可將其看作利用多個(gè)無感匯流條將電力電子裝置硬件連接起來，特別是在大電流和大功率電力電子設(shè)備中的應(yīng)用，迭層功率母線能有效提升IGBT器件的安全性和運(yùn)行效率。一般在直流儲能電容與逆變器之間的母線寄生電感容易因開關(guān)瞬態(tài)切換的過電壓問題導(dǎo)致器件過熱損壞，同時(shí)也會限制開關(guān)工作頻率，可能因寄生振蕩導(dǎo)致逆變器失控。為了防止這些問題出現(xiàn)，常規(guī)電力電子裝置的變換系統(tǒng)加入吸收電路，會增加逆變器元器件數(shù)量，導(dǎo)致制造成本和難度增加，且在高頻運(yùn)作情況下，吸收電路參數(shù)選擇難度較高。因此，采用迭層功率母線降低系統(tǒng)寄生電感，對電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)用具有重要意義。

2 在電力電子裝置中的具體應(yīng)用

2.1 功率母線選型

在電力電子裝置中應(yīng)用的功率母線類型主要包括：①電纜絞線。作為傳統(tǒng)的功率母線，具有檢疫、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但電纜絞線自身電感較大，容易因寄生電感問題影響運(yùn)行。從設(shè)計(jì)方式來看，選擇扁平母線可以將自感降低至圓直導(dǎo)線的1/3左右。②印刷電路板。此類母線主要被應(yīng)用在小電流逆變器中，如果母線直流電流超過150A，則電路板富銅層厚度較大，會導(dǎo)致造價(jià)明顯提升，而且多層導(dǎo)線板的連接穿孔會占據(jù)較大空間，也會影響整機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性。③平面并行式母線。其是工業(yè)IGBT模塊饋電系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的母線，其主要缺點(diǎn)是并行母線之間互感較大。④支架式母線。將正直流母線板設(shè)置在負(fù)直流母線板上方，并采用薄絕緣材料將其隔開，利用磁場互消作用，降低母線互感。此類目前主要應(yīng)用在樣機(jī)制作中，由于裝配工藝過于煩瑣，不適合規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。⑤迭層功率母線。在幾種母線中電感最小，通過將正負(fù)直流母線與絕緣層熱壓在一起，可以保證整個(gè)母線板距離均勻性。在通過對交流母線板進(jìn)行迭加，可以減少整個(gè)系統(tǒng)元件數(shù)量。迭層功率母線結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以承受幾百千克切應(yīng)力，導(dǎo)電板之間能夠承受幾千伏電壓。

2.2 迭層功率母線的應(yīng)用特點(diǎn)

迭層功率母線采用的導(dǎo)體材料為銅合金，其電阻率低，而且價(jià)格低廉，適合用于規(guī)模生產(chǎn)。如果對整機(jī)重量有要求的情況下，可以采用質(zhì)輕的鋁材作為導(dǎo)體材料，鋁制導(dǎo)體材料截面積比對應(yīng)銅材料大67%左右，而結(jié)構(gòu)質(zhì)量約為銅的50%，導(dǎo)電率約為銅的60%，造價(jià)更低。但需要對鋁制導(dǎo)線進(jìn)行防腐處理，鍍上保護(hù)鎳，會增加總體成本。銅排電阻決定其載流能力，根據(jù)以往使用經(jīng)驗(yàn)，合理的電流密度為5A/mm2，升溫在20℃左右。

2.3 迭層功率母線安裝和布局

確定底層母線尺寸和絕緣材料后，需要具體考慮迭層母線與IGBT器件的連接問題及母線布局問題?？梢圆捎枚喾N方法將功率母線與IGBT器件進(jìn)行連接，其中，最常用的方法有模壓、焊接插件法等?？梢酝ㄟ^對模壓插件開鑿，滿足不同端子尺寸的器件連接要求。保證接觸面電阻足夠小，從而降低電壓降。迭層母線主要包括敞口式、模壓端面、環(huán)氧填充端面和G10端面等幾種形式。其中，敞口式母線的絕緣層采用伸出導(dǎo)體板邊緣的形式，但不將其壓在一起，直流逆變器的功率母線一般應(yīng)伸出5 mm，滿足爬電距離要求。模壓端面式母線絕緣層伸出導(dǎo)體板邊緣后，還要壓在一起，確保延伸部分尺寸與敞口相同。環(huán)氧填充端口則采用灌封技術(shù)，根據(jù)不同情況采用不同厚度的環(huán)氧填充。環(huán)氧涂層對導(dǎo)體板絕緣，可以使用絕緣綁帶將導(dǎo)體板捆到一起。G10玻璃端口也可以用來代替環(huán)氧填充端口，一般在惡劣條件下使用較多。

2.4 迭層功率母線在規(guī)模生產(chǎn)中的應(yīng)用

迭層功率母線因其自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢，比較適合在規(guī)模生產(chǎn)中使用。對于規(guī)模生產(chǎn)而言，不僅要考慮功率母線的自身性能，還要充分考慮材料成本和制作工藝方面的因素，對元器件數(shù)量、系統(tǒng)規(guī)模和裝配時(shí)間等都有具體要求。利用迭層功率母線將所有的功率級元器件組合在一起，省時(shí)省力，可以降低規(guī)模生產(chǎn)的復(fù)雜性。迭層功率母線自身具有寄生電感小的特點(diǎn)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的吸收電路設(shè)計(jì)，可以有效減少元器件使用數(shù)量，從而降低生產(chǎn)成本。因此，目前迭層功率母線已經(jīng)在規(guī)模生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，是降低裝配錯(cuò)誤、提高生產(chǎn)效率的有效方法。

3 結(jié)束語

綜上所述，迭層功率母線在現(xiàn)代電力電子裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)中有重要應(yīng)用，通過對其作用原理和應(yīng)用方法進(jìn)行分析，可以為相關(guān)設(shè)計(jì)和研發(fā)工作提供參考，提升電力電子裝置設(shè)計(jì)的合理性。在應(yīng)用過程中，通過掌握迭層功率母線的自身特點(diǎn)和安裝布局方法，可以最大化地發(fā)揮迭層目前的作用，提高電力電子裝置運(yùn)行的可靠性。