基于Ansys的低电感叠层母排设计

所 示 。图 中功 率开关 （如 ＩＧＢＴ 模块 ）、电容器 、 散热器 等 ，利 用螺栓连 接在 叠层母排 。
【，ｏ ： 粤Ｕｆ
（１）
式 中 ，ｉ。 为 器件 开关 电流 ；Ｌｍ 为换 流 回路 杂散 电 感 。
该尖 峰 电压 既是 系统 功率变换 器主 要 ＥＭＩ干扰 源 之一 ，又会 导致 器件 开关 损耗 增加 ［”。因 此 ，功 率 变换器 整机 结构 设计 时 ，为 了降低换 流 回路杂 散 电感 。 ，抑制 关断过 电压 ，普遍采 用叠层 母排 结 构作 为连 接 导线［ 。
研 究 与 开 发
使用 叠层母 排代 替 电缆连 接方 式 ，具有 独特 的 应用优 势 ［３】．
１）减 少 寄生 电感 。扁 平 的矩 形 结构可 以有 效减 少 自感 ，而层 叠 的多层 铜 排 中若 流过 反方 向的 电流 ， 则可 以相互 抵消产 生 的磁 场 ，减少互 感 。
关键 词 ：叠层 母排 ；低 电感；过 电压 ；Ｈ桥逆 变器 ；ＥＭＩ
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｌｏｗ－Ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ Ｌａｍ ｉｎａｔｅｄ Ｂｕｓｂａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ａ ｎｓｙｓ
ＣｈｅｎＪｉｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆＰｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕａｉｙｉｎ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｕａｉａｎ，Ｊｉａｎｇｓｕ ２２３３００）
研 究 与 开 发
基 于 Ａｎｓｙｓ的低 电感叠层 母排设计
陈 静
（淮 阴师 范学院 物理 与 电子 电气工 程学 院 ，江苏 淮安 ２２３３００）
摘要 针 对功 率开关 关断过 电压和 ＥＭＩ危 害 ，本 文从减 小 回路杂散 电感 出发 ，阐述 了叠 层母 排 在功 率 变换 器 中应用 优势 及数 学模 型。 然后 ，基 于 电磁场 理论 ，提 出回路 面积 最小 化无感 母排 设 计原则 ，并 进行 Ｈ 桥 逆 变器 叠层母 排结构 设计 。最后 ，Ａｎｓｙｓ有 限元仿真 结果表 明 了设 计方法 的合理 性 。
平板 的厚度 ｔ和 间距 ｄ。功率变 换器 的最 高工作 频率
与 功率 开关 关 断 时 电流 下 降时 间有 关 。现代 ＩＧＢＴ
器件 典型 下Biblioteka 降时间为 ４０ｎｓ，则 最高 开关频 率 和 相
应 波 长 为
＝
＝
１ ＝ ４ＭＨ ｚ
（ ‘２ ）
Ｚ。√
０）
式 中， Ｐ为 电阻率 ； 为相 对介 电常数 ； 为相对
＝
（７）
式中，集肤深度 √ 。
３）电容 ｃ：增加 电容 可抑制信 号和 消除噪声 。
Ｃ ＝ｃ０￣＇ｒ．
（８）
４）电导 Ｇ：随频率和 环境温 度 、湿度 变化 。
Ｇ ：
ｔｄｉｅ１ｅｃ仃ｉｃ
（９）
５）特 性 阻抗 ｚ：减 小 ｚ，可抑制 电磁干扰 。
假设 两层 叠层母 排基本 参数 ：长 度 ，、宽度 Ｗ、
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ： ｌａｍ ｉｎａｔｅｄ ｂｕｓｂａｒ；ｌｏｗ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ；ｏｖｅｒ·—ｖｏｌｔａｇｅ；Ｈ·－ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ＥＭ Ｉ
目前 ，功率 变换 器广泛 应用 于工 业 电机 拖动 场 合 ，为 了实现 高性 能的 电机控制 策 略 ，采 用高速 的 开关频 率 。 以 ＩＧＢＴ 为代表 的功率 开关器 件快 速关 断过程 中，由于 高 ｄｉ／ｄｔ和 互连母 线、器 件杂散 电感 的存在 ，产 生器件 关断过 电压 ：
磁 导 率 ； 为 电介 质 电导 率 。其 中 ，真 空 磁 导率
４）降低生 产成 本 ，提 高系统 可靠性 。一体 化 的 结 构减 少 了烦琐 的连 线 ，使 电力 电子装 置具有 简 洁 可 靠 的结构 ，便于 批量 生产和 装配 ，降低 人工 成本 。
２ 叠层 母排 的数 学模型
２）电阻 ：包括直 流 电阻及交流 电阻 。
Ｒ ＝ 兰
（６）
Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｏ ｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｗｉｔｃｈ ｓｈｕｔ—ｏｆｆ ｏｖｅｒ－ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ＥＭ Ｉ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｍ ａｔｈｅｍ ａｔｉｃａｌ ｍ ｏｄｅｌ ｏｆ ｌａｍ ｉｎａｔｅｄ ｂｕｓｂａｒ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅ￣ｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｒｅｄｕｃｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒａｙ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ． Ｔｈｅｎ， ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ｔｈｅｏｒｙ， ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ａ ｎｏｎ－ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｂｕｓｂａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｅｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂｙ ｍ ｉｎｉｍ ｉｚｉｎｇ ｌｏｏｐ ａｒｅａ， ａｎｄ Ｈ －ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｌａｍ ｉｎａｔｅｄ ｂｕｓ ｓｔｒｕ ｃｔｕ ｒｅ ｗ ａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ Ａｎｓｙｓ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍ ｅｎｔ ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｓｉｇｎ ｍ ｅｔｈｏｄ．
１ 叠层母排 的基本 结构
所 谓 叠层母 排 ，就是将 多层 又 宽又薄 的矩形 铜 排 叠压 在 一起 ， 中间采用绝 缘材 料相 隔离 ，如 图 １
Ｉ
７８ Ｉ电｜｜ｌ技】ｌｔ ２０１６年第６期
（ａ） 叠层 母 排
套管 ＰＣＢ板 散热器
（ｂ）ＩＧＢＴ连 接
图 １ 叠层 母线基本 结构
２）降低 空 间 ＥＭＩ。通 过合 理设计 器件 的位 置 ， 大 面积 的母 线排 不但 可 以改善 器件 电压 波形 ， 降低 传 导 电磁 干扰 ，而且 可 以屏蔽 空间辐 射干扰 。
３）改 善系统 散热性 能 。又薄 又宽 的导体 有利 于 空 气 的流动 ，而 且 由于叠层 母 线结 构紧 凑 ， 占用 空 间尺寸 小，便 于系统 散热 设计 。