交流銅排結(jié)構(gòu)對功率模塊并聯(lián)均流的影響

宮敏

摘 要：當應用多個小電流絕緣柵的雙級型晶體管模塊時，能夠進行直接并聯(lián)，這也是大功率光伏網(wǎng)逆変器設(shè)計最為常規(guī)的應對方法。在多數(shù)IGBT模塊并聯(lián)應用下，模塊之間的輸出均流問題就成為了設(shè)計的難點。而且，此問題也是決定逆變器可否長久平穩(wěn)運行的重要因素?；诟C流場角度，深入分析多個IGBT模塊在應用較長交流銅排并聯(lián)時，銅排空間結(jié)構(gòu)影響模塊并聯(lián)均流的實際原因，并進一步針對IGBT模塊并聯(lián)均流轉(zhuǎn)化為電路問題進行解析，提出有關(guān)功率模塊并聯(lián)均流的電路模型。

關(guān)鍵詞：交流銅排;均流;絕緣柵雙級型晶體管

引言

伴隨著光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，光伏并網(wǎng)逆變器的容量也在逐漸擴大，但是電力電子逆變裝置的核心器件IGBT的功率模塊單只電流容量卻變的極為有限。一旦并聯(lián)IGBT模塊數(shù)量增多時，考慮到散熱，模塊的整體布局也會相對分散，這就需要更長的交流銅排在可以將模塊的交流輸出端有效并聯(lián)起來，如果交流銅排的長度與尺寸較大時，銅排的空間結(jié)構(gòu)會對IGBT模塊的并聯(lián)均流產(chǎn)生極為明顯的影響效果。根據(jù)交流銅排空間結(jié)構(gòu)影響模塊均流的因素為基礎(chǔ)，提出有關(guān)模塊并聯(lián)均流的電路模式設(shè)計，這樣能夠更具優(yōu)勢的協(xié)助交流銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 IGBT模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)應用

面向處于中等功率階級的光伏并網(wǎng)逆變器而言，如果幾個零散的IGBT模塊處于非常緊湊的狀態(tài)，并聚集在一起時，可以通過短接銅排將現(xiàn)有模塊的交流輸出端有效并連在一起，這樣就能夠滿足逆變器所輸出電流的應用標準。而對于緊湊型的并聯(lián)結(jié)構(gòu)交流，銅排尺寸一般很小，并且結(jié)構(gòu)較為容易產(chǎn)生對稱，而對IGBT并聯(lián)均流的影響并不突出。在幾個并聯(lián)子單元做出更為復雜的并聯(lián)時，需要考慮散熱情況與各種結(jié)構(gòu)原因，各個子單元設(shè)計布局會相對分散。所以交流銅排就會呈現(xiàn)出較長的狀態(tài)，并且整個空間結(jié)構(gòu)錯綜復雜，銅排也產(chǎn)生了較大的阻抗，面對這樣的現(xiàn)象，銅排結(jié)構(gòu)不合理就會導致銅牌結(jié)構(gòu)內(nèi)的電流產(chǎn)生不均勻的現(xiàn)象。一旦單臺逆變器功率上升到1.25mw時，IGBT模塊并聯(lián)子單元就需要展開二級并聯(lián)，如果設(shè)計與應用不合理，均流度小于5%的標準，就會存在極為嚴重的均流問題。

2 ?交流銅排結(jié)構(gòu)影響并聯(lián)均流的本質(zhì)原因

2.1交變電流分布和導體空間結(jié)構(gòu)相關(guān)

有關(guān)光伏并網(wǎng)逆變器來說，主要輸出是Hz的工頻正弦電流。按照電磁場的相關(guān)理論，在良導體結(jié)構(gòu)中，紫外線以下頻段均可以忽略位移電流，在導體中，一旦忽略了位移電流，電磁場就會處于一種磁準靜態(tài)場的環(huán)境中，工頻電流在銅排內(nèi)的分布狀況，基本屬于磁準靜態(tài)范圍。電流面向載流導體的分布情況也具有兩個規(guī)律，一個為鄰近效應，另外一個則是集膚效應。

2.2載流導體周圍的金屬對電流分布影響

如果截流導體周圍存在金屬時，交變電力滋生的時變磁場就會在金屬中感應到渦流，渦流也會引發(fā)磁場效應，當此磁場反應過來時，就會影響截流導體內(nèi)的電流分布狀況。

在相對實際的逆變器結(jié)構(gòu)內(nèi)，金屬外殼或者是金屬箱體是不可忽視的重要組成部分，這些金屬板一般就會分布在截流導體或者是交流銅排的周圍。正是因為金屬板的存在，才會促使銅排內(nèi)的交變電流分布更加復雜，面對這樣的情況，但要考慮銅排自身的空間結(jié)構(gòu)，還有細致的考慮銅排周圍對金屬板所產(chǎn)生的諸多影響。這也為銅排結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了設(shè)計上的難度。所以，最佳方案就是應用交流銅排來遠離金屬板或者是相關(guān)的金屬結(jié)構(gòu)器件。

3 IGBT模塊并聯(lián)電路模型

3.1變流銅排寄生參數(shù)提取原理

實際而言，IGBT并聯(lián)均流一般只注重了單個銅排內(nèi)部的電流分布情況，正是因為這樣，能夠?qū)⒁粋€銅排等效劃分為簡便的電阻串聯(lián)電感模式。這是由于銅排電感與電阻都是通過銅排自身不能忽視的空間結(jié)構(gòu)所導入的，所以他們屬于寄生電感與寄生電阻。

3.2應用較長銅排IGBT模塊并聯(lián)電路模型

在以2個半橋模塊的并聯(lián)為例下，等效電路模型的3個半橋模塊交流銅排寄生電阻，會分別在半橋模塊的交流銅排匯聚點產(chǎn)生寄生電感，這3個交流銅排每兩個相連就會有所感應。在每個支路上還會形成阻抗，排除銅排引入的寄生電阻與寄生電感之外，還存在IGBT模塊本身攜帶的阻抗。

在應用電磁場仿真軟件時，可以根據(jù)情況模擬建立一個實際1.25MW逆變器的中交流銅排3D模型，其激勵電流的頻率為50hz。因為截流導體周圍金屬板會為截流導體磁場分布產(chǎn)生強烈的英雄，所以在模型內(nèi)部融入了交流銅排的金屬板，環(huán)繞在四周，這些金屬板作為逆變器實際運行箱體結(jié)構(gòu)的一個重要組成部分，其材質(zhì)以Q235材料為主。在以仿真所獲得的3個交流銅排寄生電感矩陣下，其反震出來的3個銅排寄生電阻分別是98?、74?、50?。

3.3優(yōu)化改進方案

有效獲取到IGBT模塊均流內(nèi)的電路模型，按照匹配的阻抗，促使每個支路阻抗能夠優(yōu)化改進到相同的基本思路中，在阻抗很小的支路上增添阻抗，如此就能夠有效改變均流。如果是在銅排結(jié)構(gòu)中套用磁芯，是增添銅排感抗最為簡便的方式。

結(jié)束語：綜上所述，在大功率逆變器結(jié)構(gòu)中，IGBT模塊會應用較長的交流銅排并聯(lián)，銅排空間結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，就會使模塊并聯(lián)產(chǎn)生不均流的現(xiàn)象。因此，交流銅排的結(jié)構(gòu)設(shè)計必須要以對稱為基本原則，并對IGBT模塊并聯(lián)均流電路模型展開細致分析與設(shè)計，從各項數(shù)據(jù)實驗及分析研究下，能夠體現(xiàn)出模塊并聯(lián)均流電路模型基本準確。

參考文獻：

[1]馬建林，王莉，阮立剛.基于SiC MOSFET的多芯片并聯(lián)功率模塊不均流研究[J].電源學報，2019，17（04）：193-200.

（南京國電南自維美德自動化有限公司;江蘇 南京 210000）