叠层母排在IGBT变流器中的应用（3）

1 实验测量

测量回路杂散电感常用方法有双脉冲法、短路法及谐振法。双脉冲法通过测量获取IGBT关断时的尖峰电压Vpeak和电流变化率，利用公式来计算杂散电感Lstray；短路法通过测量IGBT短路开通时的下降电压和电流变化率之比，经计算获取Lstray值；谐振法通过测量静态电路谐振频率，再使用谐振公式求取Lstray值。实践中，最常使用的测量方法是双脉冲法。

双脉冲试验的原理如图1 所示，半桥电路的上管IGBT1 用于开关斩波；下管IGBT2 用于偏置，始终关断。第一个导通脉冲信号使IGBT1 导通，直流电压施于感性负载L，负载电流线性增长；当负载电流达到一定值时，IGBT1关断，负载电流通过IGBT2的反并联二极管D2 续流。经过一个时间间隔tp 后，第二个导通脉冲信号到来，IGBT1再次导通；当IGBT1达到最大关断电流值Ioff 时，驱动器启动过流保护电路，IGBT1 关断保护，此时IGBT1 将承受由回路杂散电感Lstray 引起的过电压Vpeak。

图1 双脉冲试验原理图

图2 示出双脉冲试验波形。由图可知，IGBT最大关断电流Ioff=1 250 A，关断尖峰电压Vpeak=800 V，关断时间toff=120 ns。回路杂散电感计算如下：

图2 双脉冲试验波形图

表2 示出回路总杂散电感的计算值、仿真值和实验值，可以看出，三值非常相近。采用低感母排设计后，回路的杂散电感约为75 nH左右，而采用传统母线连接的回路其寄生电感在200 nH以上。

2 低感母排的EMC 优化设计

电感值是低感母排EMC性能的重要指标。低电感和低阻抗特性可使系统获得较好的噪声抑制效果。在进行低感母排的EMC优化设计时应考虑以下几点：

（1）母排结构

正、负母排应平行且重叠于绝缘层的两侧。有研究表明，1 c m2 的剩余环路面积累积的磁链会导致大约10 nH的杂散电感。平行且重叠的结构可使正、负母排电流路径的重叠面积达到最大，电流剩余环路面积最小，由此产生的磁通空间分离最小。

（2）绝缘层厚度

电感值随绝缘层厚度的减小而减小。理论上，正、负母排的间距越小，镜像电流产生的磁链越能相互抵消，母排的杂散电感能得到充分抑制。

（3）母排宽度

母排阻抗随母排宽度的增大而减小。母排越宽，高频状态下的集肤效应越显著，正、负母排的镜像电流等效地获得了极小的剩余环路面积，从而使分布电感得到抑制。值得指出的是，如果正、负母排完全平行而没有剩余环路，那么增加母排的宽度对电感变化影响将会很小。

（4）安装孔位置

合理设计母排上电容器安装孔的位置。连接电容器的直流母排应尽量采用对称设计，开孔位置应使IGBT尽量靠近直流侧支撑电容器。

3 结语

变流器采用低感母排设计能有效降低回路杂散电感值，使IGBT的开关损耗更小，同时换流回路的过电压和系统EMI噪声得到抑制，提高了IGBT运行的安全性。合理的叠层母排设计可以提高变流器的空间利用率，使变流器系统结构设计更加紧凑，有利于提高变流器系统的集成度和功率密度，提高系统的可靠性。