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英国威廉希尔公司大功率变流器的层叠母线排设计原理

青岛英国威廉希尔公司大功率变流器的IGBT功率器件在开关过程中,因电流快速变化,直流母线寄生电感和IGBT模块自身电感产生的感应电压会叠加在直流母线上,从而产生很高的尖峰电压,造成严重的电磁干扰,而且会使器件过热,甚至使IGBT失控损坏。因此必须将开关过程中产生的尖峰电压限制在允许范围内,减小直流回路功率母线的分布电感是降低尖峰电压的有效方法。

为了连接直流滤波电容和IGBT功率器件,一是采用圆铜导线或者窄铜条,但这种办法对于大功率变流系统来说,连接困难而且寄生电感大,二是采用层叠母线排,所谓层叠功率母排是把宽薄的铜排通过绝缘材料叠放在一起,正负母线排之间的距离相同,正负母线排流过相反的电流,其磁场相互抵消,相当于减小了寄生电感,因为层叠母排与功率器件之间的直接通过螺丝连接,两者接触电阻非常小,也使得寄生电感成数量级地减小。

因层叠母排材料为铜质,导电性能良好,则可认为电流均布,若定义lbwa分别为层叠母排长、宽、厚、正负母排间距,μr为母排的磁导率,则层叠母排的电感L为:

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通过式可知,为了使得电感L尽可能小,层叠母排必须采取长远大于宽,宽远大于厚的布局,且两块正负极板之间的距离越小越好。

根据电磁场理论,当母线排中有电流流过时,空间任何一点都产生了磁场。若空间某点的磁场用磁感的磁导率B来衡量,定义I为流过直流母线排的电流,l1l2分别为正、负母排中心点到空间某点的距离,θ为该点到正负母线排中心点的连线的夹角。则空间任意一点的合成磁场B的幅值为:


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由上式可知,当层叠功率母排电流一定时,若正负极板之间的中心距尽可能小,则可使得空间任意一点的合成磁场B尽可能小,所以说使用叠层功率母线除了使寄生电感减小外,还能使空间电磁干扰降低。根据这一原理,设计的直流层叠母排见图1

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