三电平变换器无感母排设计

陈静

（淮阴师范学院物电学院，江苏淮安 223300）

0 引言

目前，高压变频器因其处理功率大、开关频率高，回路杂散电感不容忽视。功率器件关断过电压，一方面是变频器主要EMI干扰源之一;另一方面，导致开关损耗增加，限制了开关频率进一步提高。因此，降低变频器杂散电感尤为重要。而叠层母排的应用，可抑制器件暂态过电压，降低空间EMI，提高变频器工作的可靠性。

1 三电平变换器电压尖峰的产生

中点箝位型（Neutral Point Clamped—NPC）三电平变换器拓扑如图1所示。每相桥臂由四个IGBT（Sx1～Sx4）、四个反并联二极管和两个箝位二极管（Dx1、Dx2）组成，其中 x=a、b、c。输出电压有三种取值:+Ud/2、0、－Ud/2，对应三种开关状态 1、0、－1。

开关暂态中，回路杂散电感及高di/dt，导致器件产生关断过电压，击穿器件［1］。该关断过电压产生的表达式为:

其中Uov是关断过电压过，isw是关断电流，Lstray是回路总杂散电感。可以看出，器件关断电压尖峰与回路杂散电感值有关，减小杂散电感是最有效的过电压抑制方法。

图1 NPC三电平变换器拓扑结构

NPC三电平变换器共有14种基本换流模式，其中8种为强迫换流，6种自然换流［2－3］。经分析得出，有4种强迫换流回路是电压尖峰产生的原因，标记为:回路A、回路B、回路C、回路D，如图2所示。规定负载电流方向:由直流侧流向负载侧时，定义为正方向（i＞0）;由负载侧流向直流侧时，定义为负方向（i＜0）。

以图2（a）为例，Sa1关断且Sa3开通时，实线电流减小，虚线电流增大，强感性负载电流iL不变。这两路突变电流会回路杂散电感上产生感应电压。这些连接线路和器件构成一个换流回路。回路电感上的感应电压和电容电压叠加在关断器件上，导致关断过电压产生。

图2 四种基本换流回路

2 三电平变换器无感母排设计原则

叠层母排将多层又宽又薄的矩形铜排叠压在一起，层间采用绝缘材料间隔开，将IGBT、电容器、散热器等组合起来，见图3。使用叠层母排代替普通电缆，具有减少寄生电感、降低空间EMI、改善系统散热性能、降低生产成本等特点［4］。因此，为了改善开关暂态过程，高压变频器通常采用叠层母排作为主电路的连接导线。

图3 叠层母排基本结构

根据电磁场理论，利用叠层母排实现电感最小化的基本原则是［5］:

（1）换流过程中，有同一高频电流流过所有参与换流的铜排;

（2）上下层电流形成双向镜像回路，且包围回路面积最小。

三电平变换器每相桥臂有六个等电位连接点，共需要六块导流母排（见图2中带圈数字标记:①正母线层、②上箝位层、③零母线层、④输出层、⑤下箝位层、⑥负母线层）。

以换流回路A为例，当Sa1关断且Sa3开通时，主电路发生强迫换流，负载电流从“Sa1－Sa2－负载”切换到“Da1－Sa2－负载”。假设负载为强感性，换流过程中可将负载电流看成恒定。根据KCL定律，有:

将iSa1和iDa1分解为直流分量和交流分量两部分:

将上式带入到式（2）中，得:

由式（8）可知，流经正母排和Sa1的交流电流必定流回到上箝位母排、Da1、零母排和上直流电容C1，即满足条件（1）。因此，母排叠层结构设计思路是，使换流回路面积最小，同时形成双向镜像电流路径，使条件（2）满足。

3 实验结果

本文基于防爆三电平变频器设计，根据技术参数，选用双管串联封装IGBT模块:Infineon FF1000R17IE4。每相桥臂由3个IGBT模块连接:1#IGBT（Sx1与Dx1）、2#IGBT（Sx2与Sx3）、3#IGBT（Sx4与Dx2）。由于输出电压不存在+Udc/2、－Udc/2之间的直接跳变，因此正、负母排之间不存在直接换流，各自与零母排形成叠层结构［6－7］。

图4 防爆变频器换流回路

根据无感母排设计原则，确定防爆变频器功率器件连接排的叠放次序，由上至下设计为:最上层（正母排、上箝位排、下箝位排），中间（零母排），下层（负母排），见图4。该叠层结构，可以实现换流回路面积最小，上下电流形成双向路径，实现杂散电感最小化。

三电平变换器换流回路实际杂散电感值，可通过IGBT实测开关曲线间接获得，即测量电流下降率与IGBT关断瞬时尖峰电压。实验时，直流母线电压Udc=1 kV，负载为电抗器，关断电流约为ILoad=1.016 kA。对Sa1关断电压尖峰进行测试，图5为Sa1关断波形。

图5 Sa1关断电压尖峰波形

开关过程电压过冲US1ov=706 V，查阅数据手册，该型号IGBT实际电流下降时间toff=290 ns，按照下列公式计算回路杂散电感:

根据IGBT关断波形，可以看出，IGBT器件关断电压尖峰被有效抑制在安全工作区内。

4 结束语

本文针对三电平变换器拓扑和控制原理，提出无感母排结构设计原则，并应用到防爆变频器中。实验结果表明，所用叠层母排设计方法合理，有效抑制了器件关断过电压，为叠层母排的应用提供了设计思路和参考价值。

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