IGBT 變流器的高性能實現(xiàn)離不開對 IGBT 器件開關(guān)及特性的深入研究。而 IGBT DC Link 主回路的寄生電感，對 IGBT 的開關(guān)特性有著顯著影響。本文聚焦于 IGBT 變流器中常用的疊層母排，深入分析 IGBT 尖峰電壓產(chǎn)生和抑制的機理，建立低寄生電感母排基本模型進行仿真，詳細闡述換流回路雜散電感的組成和計算方法，并以實驗測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)研究 IGBT 開關(guān)性能。通過比較仿真、計算和實驗結(jié)果，提出優(yōu)化低感母排 EMC 設(shè)計的原則。

低感母排 —— 電力電子設(shè)備的重要連接形式

低感母排，又稱疊層母排，是一種多層復(fù)合結(jié)構(gòu)連接排，在當前的電力電子設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用，是重要的電氣連接形式。與傳統(tǒng)的配線方式相比，疊層母排具有諸多顯著優(yōu)勢。它不僅阻抗低、抗干擾能力強、可靠性高，而且裝配簡單、系統(tǒng)集成度高，有利于電氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化布線和安裝。這些特性使得疊層母排特別適合作為大功率變流器的電氣連接結(jié)構(gòu)部件。因此，如何設(shè)計和制造具有低阻抗特性的低感母排，成為現(xiàn)代變流器設(shè)計中的一個重要課題。

IGBT 的過電壓及其抑制方法

功率半導(dǎo)體開關(guān)器件 IGBT 通常工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。當 IGBT 關(guān)斷時，回路產(chǎn)生的尖峰電壓會瞬間加載于 IGBT 的集電極和發(fā)射極之間，其形成的電壓尖峰值可能大大超過 IGBT 的額定電壓值，從而導(dǎo)致開關(guān)器件因雪崩擊穿而損壞。

1. 過電壓的產(chǎn)生：回路的寄生電感和分布電感通常被稱為雜散電感（Stray Inductance），它是由與電流回路相交鏈的磁鏈引起的。在電磁學(xué)中，電感 L 與磁鏈的關(guān)系定義為 Ψ = LI（其中 Ψ 為磁場中由某一電流回路引起且穿過此回路面積的磁鏈）。研究導(dǎo)體電感的實質(zhì)就是研究載流導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁場。對電感公式兩邊求導(dǎo)，可得回路中過電壓的表達式。其中，Vpeak 為尖峰電壓，di/dt 為瞬時電流變化率。由此可見，降低過電壓可以通過降低電流變化率和減小雜散電感值 L 兩種途徑來實現(xiàn)。
2. 過電壓的抑制方法：在工程上，抑制 IGBT 關(guān)斷過電壓的方法有多種。常用的如采用軟開關(guān)技術(shù)、增加功率吸收電路等。軟開關(guān)技術(shù)致力于降低 IGBT 開關(guān)時的電流變化率 di/dt，以保證 IGBT 在安全工作區(qū)（SOA）運行。功率吸收電路則用于吸收 IGBT 關(guān)斷時的過電壓沖擊。然而，軟開關(guān)驅(qū)動器和功率吸收電路都需要專門設(shè)計，這會增加變流器的制造成本。并且，由于 IGBT 往往工作在高頻狀態(tài)下，di/dt 本身很大，降低電流變化率在實際操作中面臨困難。相比之下，通過減小回路雜散電感值來抑制過電壓是工程實踐中普遍應(yīng)用的方法。

疊層母排與電感抑制

1. 疊層母排的特點：相對于傳統(tǒng)的分立母排，疊層母排通過將同一回路的正、負導(dǎo)體壓合在一起，使得分布電感相互抵消，具有低電感特性。目前，疊層母排普遍采用粘膠熱壓成形工藝，可以使絕緣層和銅板完全貼合。在沒有氣隙的條件下，能有效降低局部放電的發(fā)生率。全密閉結(jié)構(gòu)的疊層母排可以耐受潮濕和鹽霧等惡劣環(huán)境，采用絕緣材料封裝工藝可以大大降低爬電擊穿的威脅，提高層間絕緣性能。
2. 疊層母排抑制電感的原理：當高頻大電流流經(jīng)導(dǎo)體時，由于電流不是均勻地分布在導(dǎo)體內(nèi)部，而是聚集于導(dǎo)體表層，因此會產(chǎn)生集膚效應(yīng)。為了抑制回路雜散電感的產(chǎn)生，連接開關(guān)器件的導(dǎo)體通常采用由寬而平的銅板和絕緣層構(gòu)成的疊層母排，正、負銅板位于絕緣層的兩面并且重疊。對于半橋和全橋兩電平拓撲結(jié)構(gòu)，上、下橋臂開關(guān)管的位置一般布置得很靠近，器件之間的連接電感可以忽略，換流回路可簡化為兩疊層母排構(gòu)成。以兩電平半橋電路的換流過程為例，當上管 IGBT 導(dǎo)通時，電流 I1 在正母排上產(chǎn)生磁鏈 F1；在上管關(guān)斷、下管尚未開通的死區(qū)時間里，因為負載的電感效應(yīng)，負載電流 I2 通過下管 IGBT 的反并聯(lián)二極管續(xù)流，在負母排上產(chǎn)生磁鏈 F2。這樣，在開關(guān)器件換流期間，正、負母排之間形成一對高頻鏡像電流，其大小相同、方向相反，在一定程度上抵消了彼此的磁場，使得疊層母排的回路電感得到抑制。