罗杰斯专为e-Mobility领域打造的高性能母排，满足耐用性、振动和散热方面的要求

时间： 2023-02-01 来源：罗杰斯先进电子解决方案公众号

技术问答

众所周知，电机、电池和电气控制系统是e-Mobility（电动出行）领域的三电系统。罗杰斯公司的高性能ROLINX^®母排在实现电池连接方面拥有很多资源。罗杰斯提供应用于圆柱型电池、方壳电池的母排方案，这些方案由罗杰斯独立设计或与e-Mobility领域中的主要制造商联合开发。

在本文中，罗杰斯将介绍电气控制系统中使用的高性能母排。在通常情况下，罗杰斯生产的ROLINX母排广泛用于纯电动汽车（EV）和插电式混合动力汽车的大功率逆变器（牵引驱动器），以及混合动力汽车的小功率逆变器（ISG）中。

如今，考虑到紧凑的集成化要求，行业在小功率逆变器中将控制单元和功率单元集成到一块功率型印刷电路板（PowerPCB）上。然而，在e-Mobility领域中，耐用性、振动和散热是必须要考虑的问题。

碳化硅半导体器件的出现及其成本的降低，使得其在逆变器中的应用越来越广，无论是碳化硅MOSFET还是IGBT，同时也带来了很多新的挑战。

首先，由于碳化硅半导体器件的开关频率更高，因此它的杂散电感必须尽可能低，以避免出现过高的电压尖峰。不同于已经应用广泛的硅半导体，受包装技术和成本等因素限制，目前仅有几款碳化硅半导体模块，更多的是碳化硅IGBT单管和碳化硅MOSFET。实际应用中，需将这些半导体器件并联，以达到期望的设计功率。这对低电感提出了更加严格的要求。另外，半导体器件并联的拓扑结构能够更加灵活地扩展功率。事实上，模块化的设计使装配简单易实现，而分立式的并联设计能够形成更为紧凑的结构。

其次，碳化硅半导体器件具有更高的耐高温性能，最高结温为175℃，极端温度可能会达到600℃；而硅半导体的最高结温为150℃，这对传统的印刷电路板提出了巨大挑战。在实际应用中，碳化硅半导体的壳温可以达到125℃，而硅半导体仅有85℃。另外，逆变器或者功率单元的热阻也取决于电容、电感和其它电气元器件的性能。

因此，低电感和耐高温性能优良的叠层母排仍然是电动汽车中逆变器的最佳选择。罗杰斯公司拥有丰富的叠层母排解决方案，能够满足耐高温性能和低电感等需求。

低电感是叠层母排的一大优势，也是罗杰斯致力研发的领域。杂散电感使逆变器中的电、磁和热耦合，造成理论设计出现偏差或预留过多设计余量，从而增加整体成本，也很难提升功率密度。此外，杂散电感会对电力电子元器件的选型、额定功率、开关频率、磁性器件的性能、损耗和温升造成影响。因此，在逆变器中使用低电感母排的重要性不言而喻。

集肤效应、互感效应、换流回路的长度和间隙以及母排的分裂式结构，均对叠层母排的杂散电感有影响。根据经验，当换流回路的长度增加一倍时，杂散电感会增大0.3倍；当换流回路的绝缘厚度增加一倍时，杂散电感会增大0.8倍。

受整体布局的不对称性、元器件布局和叠层母排结构的影响，换流回路的杂散电感呈不均衡分布。叠层母排的换流回路中杂散电感的分布不均会造成主电路中杂散电感呈现出不对称性，这就需要在电路中额外增加缓冲电路以及散热器，以抑制电压不平衡和热应力。所以，要特别注意换流回路中杂散电感的均衡分布。

大多数电力电子解决方案力求在技术应用和成本管控方面取得平衡。功率和变频器拓扑结构的不同，造成叠层母排的结构也千差万别。为了获得最佳性能，在设计叠层母排时应遵循以下原则：

在确保绝缘性能的前提下，应在叠层母排的换流回路中尽可能设计较短的绝缘距离。
在确保温升和散热的前提下，应尽可能使叠层母排的布局紧凑。
可通过改进元器件的布局和母排的层叠顺序使得换流回路实现均衡。

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