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1、文档密级：外部公开 叠层母排设计能力指导叠层母排设计能力指导 电感部分电感部分 作者：作者：唐英才唐英才 文档密级：外部公开 寄生电感对开关器件的影响及应对方法寄生电感对开关器件的影响及应对方法 2 序号序号抑制方法抑制方法备注备注应用应用 1 使用叠层母排使用叠层母排 （减低母线电感）（减低母线电感） 1.1.从根源上大幅降低直流母线的寄生电感值（约从根源上大幅降低直流母线的寄生电感值（约80%80%）；）； 2.2.更加紧凑、简洁、容易维护和安装；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。 常见常见 2增加功率吸收电路 1.需要设计者设计时在IGBT端口预留更多空
2、间； 2.增加成本, 治标不治本。 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； 2.由于IGBT往往工作在高频状态下， di/dt本身很大，降 低电流变化率往往面临实际操作的困难。 极少见 （大功率领域） 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
3、IGBT关断时的Uce和Ic曲线 文档密级：外部公开 寄生电感测试手段寄生电感测试手段 3 实际测量 图3 电感测试设备 图2 寄生电感测试原理图1 基于业内公认的 脉冲测试方法脉冲测试方法和寄 生电感测试平台。 仿真测试 图4 仿真视图 基于 SildWorks 3D建模和 Ansoft Q3D 仿真软件 文档密级：外部公开 寄生电感测试原理寄生电感测试原理 4 di dt Lstray U （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
4、的波形计算di/dt,通过下式1计算母线电感值： 图5 寄生电感测试原理图2 （1） 图6 实测波形图 序号测试设备/器件型号 1IGBT英飞凌FF600R17ME4 2示波器泰克DPO2024B 3高频电流探头泰克TCP0150 4差分电压探头泰克P5210A 表1 测试设备/器件列表 文档密级：外部公开 寄生电感相关测试（寄生电感相关测试（1 1） 5 为了探究是否叠层是否叠层和铜牌厚度对铜牌厚度对母排电感值电感值的影响影响，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电感测试，测试结果如下： 实验结果：实验结果
5、：由左图7可知，叠层母排叠层母排电感值 28.03nH(平均值，下同），比传统铜排比传统铜排的电感电感132. 70nH 降低低80%。 原因分析原因分析：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。 实验结果：实验结果：由左图8可知，叠层母排的电感值与铜电感值与铜 排厚度呈正相关排厚度呈正相关，从12.5mm每增加1mm，电感值增加 约30%。 原因分析原因分析：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7 叠层母排与传统铜排电感对比图 图8 母排电感值与铜排厚度的关系图 文档密级：外部公开 寄生电感相关测试（寄生电感相关测试（2 2
6、） 6 为了探究是否压合是否压合和层间距离对层间距离对母排电感值电感值的影响影响，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电感测试，测试结果如下： 实验结果：实验结果：由左图5可知，经过压合后压合后的母排电 感值28.03nH(平均值，下同），比未压合比未压合的母排电感电感 值值32.57nH降低低16.2%。 原因分析原因分析：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11.5mm。 实验结果：实验结果：由左图6可知，叠层母排的电感值与电感
7、值与 层间距离呈正相关层间距离呈正相关，从0.53.5mm每增加0.5mm，电 感值增加约10%。 原因分析原因分析：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 9 压合前后叠层母排电感对比图 图 10 母排电感值与层间距离的关系图 为了探究是否压合是否压合和层间距离对层间距离对母排电感值电感值的影响影响，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电感测试，测试结果如下： 实验结果：实验结果：由左图9可知，经过压合后压合后的母排电 感值28.03nH(平均值，下同），比未压合比未
8、压合的母排电感电感 值值32.57nH降低低16.2%。 原因分析原因分析：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11.5mm。 实验结果：实验结果：由左图10可知，叠层母排的电感值与电感值与 层间距离呈正相关层间距离呈正相关，从0.53.5mm每增加1mm，电感 值增加约10%。 原因分析原因分析：层间距离增加时正负极母排产生的 磁链相互抵消的部分减少，以致其电感值增加。 文档密级：外部公开 仿真结果与实测结果对比仿真结果与实测结果对比 7 序号序号结果类型结果类型层间距离层间距离0.5mm0.5mm层间距离层间距离
9、1.5mm1.5mm 1实测结果 28.03nH(压合） 32.57nH（不压合） 37.57nH（不压合） 2仿真结果28.73nH30.26nH 表2 测试母排实测值与仿真值对比列表 图 11 P665母排仿真界面及结果（37.96nH) 文档密级：外部公开 仿真结果（不同连接方式对母排电感值的影响）仿真结果（不同连接方式对母排电感值的影响） 8 图 12不同结构/流向对母排电感值的影响 11.8nH 100% 10.8nH 90% 9.9nH 80% 仿真参数仿真参数 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
10、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注：此处电感增减趋势会因电流方向改变 而发生改变。而发生改变。 文档密级：外部公开 仿真结果（不同连接结构对母排电感值的影响）仿真结果（不同连接结构对母排电感值的影响） 9图 13不同连接结构对母排电感值的影响 9.9nH 16.7nH 3.1nH 10.4nH 电容槽口增加电容槽口增加6.8nH 电流端口增加电流端口增加7.3nH复合电感增加复合电感增加13.6nH 理想母排理想母排 文档密级：外部公开 仿真结果（层间距离对母排电感值的影响）仿真结果（层间距离对母排电感值的影响） 10 层间
11、距离（0.5mm) 电感5.97nH 层间距离(1.0mm) 电感7.53nH 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26% 距离增加0.5mm 电感增加21% 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 文档密级：外部公开 仿真结果（铜排厚度对母排电感值的影响）仿真结果（铜排厚度对母排电感值的影响） 11 铜板厚度（1mm) 电感3.83nH 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2.14nH 板厚增加0.5mm 电感增加
12、2.10nH 板厚增加0.5mm 电感增加2.10nH 铜板厚度（2mm) 电感5.97nH 图 15铜板厚度对母排电感值的影响 文档密级：外部公开 仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响） 12 铜板厚度铜板厚度 (mm) 不同层间距离（不同层间距离（mm）时的电感值（）时的电感值（nH） 平均每平均每mm 铜板电感增幅铜板电感增幅 （nH，平均值），平均值） 0.51.01.52.03.0 1.03.835.547.018.6011.76 2.05.977.539.0810.6513.772.05 3.08.079.6111.2112.7215.86
13、2.09 平均每平均每mm间距电感间距电感 增幅（增幅（nH，平均值），平均值） 3.233.073.113.14/ 结论结论 母排的电感值与板厚、层间距离程线母排的电感值与板厚、层间距离程线 性关系，性关系，10001000* *1000mm1000mm尺寸的母排铜板厚度尺寸的母排铜板厚度 每增加每增加1mm1mm电感增加约电感增加约2nH,2nH,层间距离每增加层间距离每增加 1mm1mm电感增加约电感增加约3nH3nH。 表3 母排层间不同距离、厚度对应电感值列表 文档密级：外部公开 仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响） 13 非叠层面积（0c
14、m2) 电感5.97nH 非叠层面积(100cm2) 电感6.75nH 非叠层面积(200cm2) 电感11.67nH 非叠层面积(200cm2) 电感8.46nH 每1cm2非叠层区域 产生0.008nH电感 每1cm2非叠层区域 产生0.017nH电感 每1cm2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 文档密级：外部公开 仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响） 14 层间距离层间距离 (mm) 不同非叠层面积（不同非叠层面积（cm2）时的电感值（）时的电感值（nH） 0100200400 0.55.976.7
15、58.4611.67 1.07.538.3510.0413.25 单位面积电感值单位面积电感值(nH/cm2)0.0080.0130.032 非叠层面积非叠层面积(cm2) 单位面积电感系数单位面积电感系数 K3(nH/cm2) 01000.008 1002000.013 2004000.032 注：1）若非叠层面积为150cm2， 则L=100*0.008+50*0.013； 2）此表格不适用于IGBT端子的电感计算。 表4 母排不同非叠层面积对电感影响系数列表 文档密级：外部公开 仿真结果（非叠层路径仿真结果（非叠层路径/ /电容孔距离对电感的影响）电容孔距离对电感的影响） 15 孔距（6
16、0mm) 电感54.02nH 孔距（120mm) 电感65.63nH 孔距（100mm) 电感61.85nH 孔距增加20mm 电感增加4.93nH 孔距增加20mm 电感增加2.92nH 孔距增加20mm 电感增加3.76nH 孔距（80mm) 电感58.95nH 图 17 不同非叠层路径对母排电感值的影响 文档密级：外部公开 仿真结果（非叠层路径对母排电感值的影响）仿真结果（非叠层路径对母排电感值的影响） 16 路径长度路径长度(mm)6080100120140平均值平均值 电感值（nH）54.0258.9561.8765.6369.2761.95 电感差值（nH）/4.932.923.763.643.81 电感电感/长度比长度比 （nH/mm） / 0.2460.1460.1880.1820.191 结论结论 非叠层路径对电感的非叠层路径对电感的 加成比例系数加成比例系数(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。 表5 母排不同非叠层路径对
