叠层母排在IGBT变流器中的应用（2）

1换流回路的杂散电感

在IGBT 变流器中，回路电感表现为某一时刻一条换流回路的总杂散电感值Lstray。如果将各环节的寄生电感和分布电感抽象为分立元件的形式，则回路电感主要包括叠层母排的分布电感Lbusbar、直流支撑电容的内部电感LC、IGBT内部电感LIGBT及连接IGBT和母排的螺钉寄生电感Lscrews（图1）：

图1 回路总杂散电感的组成

回路中各环节电感值对于减小回路的总杂散电感而言十分重要。由于直流支撑电容器和IGBT的内部电感是定值，其降低只能通过器件制造商提高制造和工艺水平来实现。IGBT 和叠层母排间若采用螺钉连接方式，其电感值也基本固定。因此，减小叠层母排的自身电感是进一步减小回路总杂散电感的关键所在。

2 低感母排的参数模型

根据用途和布局的不同，低感母排存在多种拓扑结构。本文研究的叠层母排采用由两层平行导电平板与中间绝缘层复合的叠层结构，其模型如图2 所示，其中，l为母排长度，w为宽度，t为导电平板厚度，d为两层导电平板中心间距；其等效电路如图3所示，分布电感、分布电容和电阻特性等可以抽象成等效电路中的L、C及R 等电气参数。

图2 叠层母排模型

图3 叠层母排的等效电路

设计低感母排时，需要考虑其两种形式存在的电感：

（1）内电感Li ——由导体内部的磁链引起的，其大小随频率的增加而减小；

（2）外电感Le——由正、负母排的电流方向和拓扑结构决定，与频率无关。

在高频状态下，由于存在集肤效应，Li很小，可以忽略，电感主要表现为Le；而在低频状态下，Li 是电感的重要成分，电感表现为Li 与Le之和。下式示出外电感的通用计算公式：

式中： 0—真空磁导率； r—相对磁导率；Δk和Δe—修正因子，由母排的几何参数决定。

3 杂散电感的计算分析

3.1 电感的工程计算

杂散电感值的精确分析和计算是低感母排设计的重要课题。利用公式可以初步计算叠层母排的电感值大小，供工程设计时参考。

以d=0.04 m，l=0.6 m，w=0.068 m规格母排为例进行杂散电感值的计算。根据分布电感公式计算可知，Lbusbar= 28 nH；根据IGBT 产品数据手册可知，模块内部电感LIGBT=10 nH；测量IGBT 与母排连接螺钉处的电感，Lscrews=20 nH ；根据直流支撑电容器数据手册可知，其内部电感LC=15 nH。表1示出回路的分布电感情况。

3.2 仿真分析

为了进一步验证杂散电感的工程计算值，使用Ansoft Q3D软件对变流器模块的叠层母排模型进行仿真。图4示出叠层母排表面电流分布。可以看出，由于正、负母排的形状并不完全重合，造成表面电流分布不均匀，磁通存在空间分离，导致回路电感的产生。用仿真软件提取的杂散电感值为64. 3 nH，但该值未包含LIGBT。将仿真值与LIGBT 相加，得到回路的总杂散电感。

图4 叠层母排的电感仿真