叠层母排低电感相关设计

仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）
表4 母排不同非叠层面积对电感影响系数列表
层间距离 (mm)
0.5
不同非叠层面积（cm^2）时的电感值（nH）
0
5.97
100
6.75
200
8.46
400
11.67
1.0
7.53
8.35
0.008
10.04
0.013
13.25
0.032
单位面积电感值(nH/cm^2)
图7 叠层母排与传统铜排电感对比图
实验结果：由左图8可知，叠层母排的电感值与铜 排厚度呈正相关，从1~2.5mm每增加1mm，电感值增加 约30%。 原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的磁 链相互低调的部分减少，以致其电感值增加。
图8 母排电感值与铜排厚度的关系图
5
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寄生电感相关测试（2）
dt Lstቤተ መጻሕፍቲ ባይዱay △U × di
图5 寄生电感测试原理图2
（1）
序号 1
2 3 4
测试设备/器件 IGBT
示波器 高频电流探头 差分电压探头
型号 英飞凌FF600R17ME4
泰克DPO2024B 泰克TCP0150 泰克P5210A
图6 实测波形图
表1 测试设备/器件列表
4
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寄生电感相关测试（1）
23.8nH 77% 端子长：20mm
20.7nH
67% 端子长：15mm
图 18 不同端子长度对母排电感值的影响
17
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实际案例（不同端子长度对母排电感值的影响）
48nH(端子长51mm) 40nH(端子长30mm)
优化
端子每减少1mm, 电感降低0.4nH
图19 优化前客户原母排结构及仿真
为了探究是否压合和层间距离对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm， 宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：
5可知，经过压合后的母排电 实验结果：由左图9 感值28.03nH(平均值，下同），比未压合的母排电感 值32.57nH降低16.2%。 原因分析：未压合的母排安装时铜排会产生形 变，导致实际的层间距离大于设定值，实测0.5mm层 间距离的母排部分区域层间距离近1~1.5mm。
图 11 P665母排仿真界面及结果（37.96nH)
7
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仿真结果（不同连接方式对母排电感值的影响）
11.8nH
10.8nH
100%
90%
仿真参数
9.9nH
设定电压：1200V DC 设定电流：200A 层间距离：0.5mm 铜板尺寸：160mm*95mm*1.5mm 电流端子尺寸： 15mm*10mm 电容槽口尺寸： 20mm*20mm 注：此处电感增减趋势会因电流方向改变 而发生改变。 8
图 15 铜板厚度对母排电感值的影响 11
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仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）
表3 母排层间不同距离、厚度对应电感值列表 铜板厚度 (mm) 1.0 2.0 3.0 不同层间距离（mm）时的电感值（nH） 0.5 3.83 5.97 8.07 1.0 5.54 7.53 9.61 3.23 1.5 7.01 9.08 11.21 3.07 2.0 8.60 10.65 12.72 3.11 3.0 11.76 13.77 15.86 3.14 平均每mm 铜板电感增幅 （nH，平均值） 2.05 2.09 /
层间距离（0.5mm) 电感5.97nH 层间距离(1.0mm) 电感7.53nH
距离增加0.5mm 电感增加26%
距离增加0.5mm 电感增加21%
层间距离(2.0mm) 电感10.65nH 层间距离(1.5mm) 电感9.08nH
距离增加0.5mm 电感增加17%
图 14 层间距离对母排电感值的影响 10
成本 减少30%
优化后19.2nH
图26 优化后我司设计母排结构及仿真
21
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优化案例（3）
优化前60nH 电感值减少 30nH（50%）
优化案例
图27 优化前客户原母排结构及仿真
优化后30nH
应用设备：光伏逆变器（三电平） 技术参数 绝缘耐压：3500V DC 1min 2mA 额定电压：1000V DC 额定电流：300A 外形尺寸：447mm*390mm*109.2mm 优化内容：端子长度、非叠层面积。
80%
图 12 不同结构/流向对母排电感值的影响
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仿真结果（不同连接结构对母排电感值的影响）
理想母排 电容槽口增加6.8nH
3.1nH
9.9nH
电流端口增加7.3nH
复合电感增加13.6nH
10.4nH
16.7nH
图 13 不同连接结构对母排电感值的影响
9
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仿真结果（层间距离对母排电感值的影响）
铜排厚度尽量薄
叠层正负母线尽量(S)无余留（K1） IGBT端子(l1)尽量短（K2)
Lstray = 100 %
非叠层路径(l2)尽量短（K3） 导体宽度尽量宽
19
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优化案例(1)
优化前48nH
优化案例
图23 优化前客户原母排结构及仿真
应用设备：光伏逆变器 技术参数 绝缘耐压：3500V DC 1min 2mA 额定电压：1200V DC 额定电流：700A 外形尺寸：440mm*261mm*57mm 爬电距离/电气间隙：16.6mm/ 8mm 优化内容：IGBT端子长度、非叠层面积。
非叠层面积(cm^2)
0~100 100~200 200~400
单位面积电感系数 K3(nH/cm^2)
0.008 0.013 0.032
注：1）若非叠层面积为150cm^2， 则L=100*0.008+50*0.013； 2）此表格不适用于IGBT端子的电感计算。 14
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仿真结果（非叠层路径/电容孔距离对电感的影响）
15
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仿真结果（非叠层路径对母排电感值的影响）
表5 母排不同非叠层路径对电感影响系数列表
路径长度(mm) 电感值（nH） 电感差值（nH） 电感/长度比 （nH/mm） 60 54.02 / 80 58.95 4.93 0.246 100 61.87 2.92 0.146 120 65.63 3.76 0.188 140 69.27 3.64 0.182 平均值 61.95 3.81 0.191
图 9 压合前后叠层母排电感对比图
6可知，叠层母排的电感值与 实验结果：由左图10 可知，叠层母排的电感值与 0.5mm ，电 层间距离呈正相关，从0.5~3.5mm每增加1mm ，电感 感值增加约 10% 值增加约 10% 。。 原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的 原因分析：层间距离增加时正负极母排产生的 磁链相互低调的部分减少，以致其电感值增加。 磁链相互抵消的部分减少，以致其电感值增加。
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叠层母排设计能力指导
———电感部分
作者：唐英才
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寄生电感对开关器件的影响及应对方法
直流回路的寄生电感和分布电感通常被称为 寄生电感(Stray Inductance)，它是由与电流回路 相交链的磁链引起的。功率半导体开关器件IGBT 通常工作在高频开关状态。当IGBT关断时，回路 产生的尖峰电压瞬间加载于IGBT的集电极（C） 和发射极（E）之间，形成的电压尖峰（△U）会 超过IGBT的额定电压，导致IGBT击穿。
图1 IGBT关断时的Uce和Ic曲线
序号
1
抑制方法
使用叠层母排 （减低母线电感）
备注
1. 从根源上大幅降低直流母线的寄生电感值（约80%）； 2. 更加紧凑、简洁、容易维护和安装； 3. 相对传统铜排会增加一定的成本。 1. 需要设计者设计时在IGBT端口预留更多空间； 2. 增加成本, 治标不治本。
每1cm^2非叠层区域 产生0.008nH电感
每1cm^2非叠层区域 产生0.017nH电感
非叠层面积(200cm^2) 电感11.67nH 非叠层面积(200cm^2) 电感8.46nH
每1cm^2非叠层区域 产生0.032nH电感
图 16 不同非叠层面积对母排电感值的影响 13
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图 10
母排电感值与层间距离的关系图
6
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仿真结果与实测结果对比
表2 测试母排实测值与仿真值对比列表 序号 1 2 结果类型 实测结果 仿真结果 层间距离0.5mm 28.03nH(压合） 32.57nH（不压合） 28.73nH 层间距离1.5mm 37.57nH（不压合） 30.26nH
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仿真结果（铜排厚度对母排电感值的影响）
铜板厚度（1mm) 电感3.83nH 铜板厚度（2mm) 电感5.97nH
板厚增加0.5mm 电感增加2.14nH
板厚增加0.5mm 电感增加2.10nH
铜板厚度（4mm) 电感10.17nH
铜板厚度（3mm) 电感8.07nH
板厚增加0.5mm 电感增加2.10nH
/
结论
非叠层路径对电感的 加成比例系数(K4)
0.191（nH/mm）
注：此系数适用于串联母排、电容孔距等结构的电感计算。
16
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仿真结果（不同端子长度对母排电感值的影响）
该仿真过程中，端子每增加1mm,电感增加约0.6nH 31.0nH 100% 端子长：30mm 27.3nH 88% 端子长：25mm
图20 优化后我司设计母排结构及仿真
33nH（端子长50mm）
23nH（端子长30mm)
结论 IGBT端子电感系数 K5约0.5（nH/mm）
优化
端子每减少1mm, 电感降低0.5nH
图21 优化前客户原母排结构及仿真
图22 优化前客户原母排结构及仿真
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相关结论
电容排到IGBT路径尽量短 中间绝缘层尽量薄
电感值 减少20%
优化后40nH
图24 优化后我司设计母排结构及仿真
20
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优化案例（2）
优化前21.4nH
优化案例
图25 优化前客户原母排结构及仿真
应用设备：APF（有源滤波器） 技术参数 绝缘耐压：4000V DC 1min 2mA 电感值 额定电压：1000V DC 减少11.5% 额定电流：750A 外形尺寸：339.5mm*316mm*27mm 优化内容：电流路径、铜板层数。
仿真测试
基于 SildWorks 3D建模和 Ansoft Q3D 仿真软件
图2 寄生电感测试原理图1
图4 仿真视图
图3 电感测试设备
3
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寄生电感测试原理
（1）测试原理： 选取整流设备任意一相IGBT下桥为检测对象，用高压隔离探头测取Uce(测取下桥Uce)， 用高频电流探头测取Ic，原理图见下图1，用高频隔离探头测得尖峰电压△U，用高频电流探 头测取电流的波形计算di/dt,通过下式1计算母线电感值：
应用
常见
2
增加功率吸收电路
常见
3
软开关技术
1. 软开关驱动器和功率吸收电路都需要专门设计，这将增 加变流器的制造成本； 极少见 2. 由于IGBT往往工作在高频状态下， di/dt本身很大，降 （大功率领域） 低电流变化率往往面临实际操作的困难。
2
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寄生电感测试手段
实际测量
基于业内公认的 脉冲测试方法和寄 生电感测试平台。
为了探究是否叠层和铜牌厚度对母排电感值的影响，我们使用相同款式的叠层母排（板厚1.5mm， 宽度460mm，长度216mm）,分作做了压合前后以及改变层间距离的电感测试，测试结果如下：
实验结果：由左图7可知，叠层母排电感值 28.03nH(平均值，下同），比传统铜排的电感132. 70nH 降低80%。 原因分析：叠层母排使电路的正负母排磁链互相 抵消，大大的减低了回路的电感值。
孔距（60mm) 电感54.02nH 孔距（80mm) 电感58.95nH
孔距增加20mm 电感增加4.93nH
孔距增加20mm 电感增加2.92nH
孔距（120mm) 电感65.63nH
孔距（100mm) 电感61.85nH
孔距增加20mm 电感增加3.76nH
图 17 不同非叠层路径对母排电感值的影响
平均每mm间距电感 增幅（nH，平均值）
结论
母排的电感值与板厚、层间距离程线 性关系，1000*1000mm尺寸的母排铜板厚度 每增加1mm电感增加约2nH,层间距离每增加 1mm电感增加约3nH。
12
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仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）
非叠层面积（0cm^2) 电感5.97nH 非叠层面积(100cm^2) 电感6.75nH
图28 优化后我司设计母排结构及仿真