（中车株洲电力机车研究所有限公司 湖南株洲 412001）
摘要：本文针对300kW和400kW变流器模块的降本兼容型叠层母排进行优化设计，通过杂散电感仿真和双脉冲试验对优化前后两种叠层母排方案进行了研究，同时通过双脉冲试验对不同电容布局的影响进行研究。结果表明，叠层母排优化前后性能相当，但优化后叠层母排上下管回路杂散电感、载流密度分布更均衡；分析不同电容布局之间性能近似相同，但从散热及结构对称考虑，选用布局一，更有利于电容器散热。
关键词：IGBT并联；叠层母排；双脉冲试验；杂散电感
中图分类号：TK172
1 引言
在中小功率变流器场合，对成本有更为严苛的要求，往往通过低成本器件并联应用来降本，同时要求部件兼容设计。由于IGBT器件本身参数具有随机性，因此需要优化结构设计，尽可能对称设计，以提高IGBT并联均流。同时，为降低杂散电感所引起的电压过冲问题，采用低成本的叠层母排设计，以降低回路杂散电感。在部件兼容性方面，需要考虑不同器件布局对并联IGBT的均流和电压过冲的影响。因此，本文主要基于300kW和400kW变流器的降本要求和兼容性考虑，分析了300kW变流器的叠层母排优化设计方案，同时，分析不同的电容器布局对器件并联性能的影响，最后分析了优化后叠层母排的IGBT并联均流效果。
2 原理与设计
2.1 器件选型
300kW和400kW变流器技术参数如表1所示。为考虑成本和兼容性，采用低成本封装IGBT器件并联，同时设计兼容型叠层母排，通过选配不同型号的IGBT器件和不同数量的支撑电容器，从而实现兼容设计和降本。
表1 变流器技术参数
Table.1 The technical parameters of converters
.png)
IGBT器件电压定额按式（1）计算：
.png)
（1）
式中：Udc-max为中间直流电压最大值；K1为电压裕度系数，取1.15；K2为安全系数，取1.1；ΔU为开关过电压，取200V。
因此，采用2个1200V的IGBT元件并联，考虑均流系数0.9，则IGBT器件电流定额按如下式（2）计算：
.png)
（2）
式中：IO为逆变器输出电流（有效值）；K3为电流尖峰系数，取值1.3。
支撑电容值按下式（3）核算：
.png)
（3）
式中：PO为逆变器输出功率；η为效率，取值0.95；ω为角频率，取值2×π×50 rad/s；Udc为中间直流电压，取值450V。
根据式（2）、式（3）核算IGBT器件电流定额、IGBT器件规格、支撑电容值等参数，其选型结果如表2所示。300kW变流器选用2个1200V/600A的IGBT器件并联，支撑电容器选用9颗1.85mF的圆柱形电容器并联。400kW变流器选用2个1200V/800A的IGBT器件并联，支撑电容器选用12颗1.85mF的圆柱形电容器并联。
表2 部件选型表
Table.2 The selection table of components
.png)
2.2 叠层母排设计
为考虑降本和兼容性，按400kW变流器设计叠层母排，要求兼容300kW变流器。叠层母排设计方案如图1所示，下层为正母排，顶层为负母排，中间层和底层为绝缘层，支撑电容的安装孔位水平布置，为实现空间有效利用，与IGBT连接部分经过了二次折弯，同时通过绝缘垫实现四层紧固。
在实际组装过程中，发现内侧支撑电容装配不便，同时叠层母排局部温升相差较大，因此对叠层母排进行优化设计，优化叠层母排方案如图2所示，主要优化项：①与IGBT连接部分只经过一次折弯；②支撑电容器安装方向旋转90°。
.png)
图1 原有叠层母排方案图示
Fig.1 The illustration of the former laminated bus-bar
.png)
图2 优化叠层母排方案图示
Fig.2 The illustration of the optimized laminated bus-bar
叠层母排安装于支撑电容器上方，装配有叠层母排、支撑电容器的组件水平安装，同时，变流器柜内安装小风机用于柜内风冷，有少量风从组件的左侧流入，经过支撑电容器后，从右侧流出，叠层母排水平方向开有两个大孔，也是为了加强内部风流动，有助于叠层母排和支撑电容器散热。
2.3 杂散电感仿真
为验证优化前后叠层母排的杂散电感和电流分布，采用Q3D软件进行仿真，为模拟实际工况，用铜排短接离正负输入侧最远端一组对外接口。
仿真结果为：原有叠层母排的杂散电感参数为LSY=37.47nH，优化叠层母排的杂散电感参数：LSX=42.88nH。优化叠层母排的杂散电感略有增加。
同时，对两种叠层母排的电流分布进行仿真分析，图3、图4分别为原有和优化叠层母排电流密度分布仿真结果。可看出：①优化叠层母排比原有叠层母排的电流分布更为均匀，原有叠层母排的电流分布偏向于右侧区域；②两种方案叠层母排的电流密度最大点都集中于正负输入侧、铜排短接接口处、及局部开孔位置。
因此，从仿真结果看，优化叠层母排的杂散电感略有增加，但电流分布更为均匀。
.png)
图3 原有叠层母排电流密度仿真结果
Fig.3 The simulation result of current density of the former laminated bus-bar
.png)
图4 优化叠层母排电流密度仿真结果
Fig.4 The simulation result of current density of the optimized laminated bus-bar
3 实验
3.1 不同电容布局实验分析
叠层母排可安装12颗电容器，共有3行4列。而300kW变流器中只需安装9颗电容器，有3处无需安装电容器，因此有
.png)
种安装方式，主要分为三类，其典型布置如表3所示，图中蓝色代表直径为116mm的圆柱形支撑电容器。
（1）无需安装电容器的3处位置处于同一行，则有
.png)
种安装方式，例如表3中布局一、二。
（2）无需安装电容器的3处位置中2处位于同一行，则有
.png)
种安装方式，例如表3中布局三。
（3）无需安装电容器的3处位置位于不同的三行，则有
.png)
种安装方式，例如表3中布局四。
考虑电容器散热、结构对称及安装维护等因素，本文仅对表3中四种比较典型布局进行双脉冲试验，在中间直流电压Udc=600V、二次开通电流大于600A、同一块驱动板及同一感性负载条件下进行测试，在离正负输入侧远端的一组接口上安装两个并联的IGBT器件（富士公司2MBI600VN-120-50），驱动板安装于两个并联的IGBT器件上，采用同一感性负载，测试IGBT器件端电压vce和流过两个IGBT器件的集电极电流ic。
上管双脉冲试验对比结果如图5所示。从图中可看出，①器件开通过程中，vce会出现一个缺口电压，四种布局的缺口电压基本重合；②四种布局中流过每个器件的电流动态均流性基本相同，测得布局一电流略小些。
表3 典型布局
Table.3 The typical layout
布局一
.png)
布局二
.png)
布局三
.png)
布局四
.png)
下管双脉冲试验波形与上管结果类似，但下管动态均流性比上管略差。
从以上分析可知：四种典型布局的双脉冲测试结果相近，开通过程中缺口电压值基本重合，电流上升斜率相差很小，动态均流性能基本相同。因为有少量风从装配有叠层母排、支撑电容器的组件左侧流入，从右侧流出，因此，为更有利于支撑电容器散热，实际应用中选用表3中布局一方案。
.png)
图5 四种布局上管双脉冲测试对比结果
Fig.5 The comparison of double-pulse test results of the top IGBT on four layouts
3.2 两种叠层母排实验对比分析
采用表3中布局一方案，对原有叠层母排和优化叠层母排进行双脉冲试验，中间直流电压Udc=600V、二次开通电流大于600A，测试IGBT器件门极电压vge、端电压vce和流过两个IGBT器件的集电极电流ic。
两种叠层母排的双脉冲测试结果如表4所示，表中，电压尖峰ΔU为第一次关断时端电压vce的最大值与幅值之差，缺口电压uqk为第二次开通后端电压vce开始下降后维持一个短暂恒值过程的电压差值；di/dt为在缺口电压范围内流过器件电流ic上升斜率；杂散电感LS按式（4）进行计算。
.png)
（4）
从表4中可看出：优化叠层母排的上管电压尖峰有所降低，下管电压尖峰略高；上管缺口电压值降低6.2V，下管缺口电压值降低0.3V；但上下管di/dt都有所降低；计算的杂散电感中上管降低0.5nH，下管增加了1.8nH，上下管杂散电感值分布更为均衡些。
表4 两种叠层母排测试数据
Table.4 The test data of the former and optimized laminated bus-bars
.png)
两种叠层母排的上管测试波形对比结果如图6所示，图中门极电压vge、端电压vce基本重合，相差很小，优化叠层母排的电流值略偏小，电流上升斜率小些。下管测试波形与上管类似。
.png)
图6 两种叠层母排上管双脉冲测试对比结果
Fig.6 The comparison of double-pulse test results of the top IGBT for the two laminated bus-bars
3.3 优化叠层母排双脉冲和短路实验
采用优化叠层母排，电容布局为表3中布局一方案，测试条件：中间直流电压Udc=600V、二次开通电流大于600A，开通关断的脉冲时序为：开通80μs—关断20μs—开通20μs—关断。
上、下管双脉冲测试数据如表5所示，表中，ic1_d、ic2_d分别为第二次开通过程流过两个并联IGBT集电极电流最大值，均流系数按式（5）计算。从表中可看出，电压尖峰低于240V，均流系数均大于85%，上管均流要好于下管。
.png)
（5）
表5 双脉冲测试数据
Tab.5 The date of the double-pulse test
.png)
上管双脉冲测试结果如图7所示，从图中可看出：流过两个并联器件的集电极电流在第一次开通过程中差别较小，第二次开通过程中差别明显；②两个并联器件的门极电压除在开通关断时刻略有差别外，其他过程中基本重合。下管双脉冲测试与上管类似，但其第二次开通过程中电流最大值偏差较大，动态均流差于上管。
.png)
图7 优化叠层母排上管双脉冲试验波形
Fig.7 The double-pulse test results of the top IGBT for the optimized laminated bus-bar
用短导线将IGBT器件的交流端子和正端子、负端子短接，进行模拟短路试验，试验条件：中间直流电压Udc=600V，开通关断的脉冲时序为：开通10μs—关断，以验证器件和驱动板的短路性能，试验中测试IGBT器件门极电压vge、端电压vce和流过两个IGBT器件的集电极电流ic。
上管短路试验波形如图8所示，从图中可看出：短路时间约7.6μs，器件端电压最大值约710V，最大电流分别为2.92kA、2.85kA，开通过程门极电压vge有明显的跌落，由13.8V跌落至7.5V，vge最大值约16.1V。下管短路试验波形与上管类似，区别在于：短路时间约7.4μs，器件端电压最大值约691V，最大电流分别为3.04kA、2.60kA，开通过程门极电压vge保持平稳上升，vge最大值约15.8V。
.png)
图8 优化叠层母排上管短路试验波形
Fig.8 The short-circuit test results of the top IGBT for the optimized laminated bus-bar
4结论
本文针对300kW和400kW变流器的兼容型叠层母排进行优化设计，通过杂散电感仿真和双脉冲试验对优化前后的叠层母排进行了研究，优化叠层母排的上管电压尖峰、杂散电感有所降低，下管略有增加，但杂散电感值、电流分布更为均衡。最后对优化叠层母排方案进行双脉冲试验和短路试验，布局一方案的双脉冲试验中上、下管静态均流均较好，上管动态均流性略好于下管；短路试验中上、下管短路时间分别为7.6μs和7.4μs，上管短路电流均流要优于下管。
参考文献：
[1] 林谓勋.现代电力电子电路[M].杭州：浙江大学出版社，2002.
[2]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[3] 易荣，赵争鸣，袁立强.高压大容量变换器中母排的优化设计[J].电工技术学报，2008，23（8）：94-100.
[4] Caponet M C，Profumo F，de Doncker R W，et al．Low stray inductancebus bar design and construction for good EMC performance inpower electronic circuit[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2002，17（2）：225-231.
[5] 王雪松，赵争鸣，袁立强，鲁挺．应用于大容量变换器的 IGBT并联技术［J］．电工技术学报，2012，27（10）：155-162．
[6] 房雷，刘钧，苏伟.母排互感对IGBT模块并联动态均流的影响[J].电力电子技术，2017，51（10）：60-62.