【经验】罗杰斯解析叠层母线排的电感优化

时间： 2021-07-26 来源：ROGERS

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开关电路的杂散电感是电力电子设计中的关键参数之一，它对使用碳化硅和氮化镓等宽禁带半导体的系统而言变得更加重要。

电力电子设备的工作原理是使开关（半导体器件）在千赫量级的频率下换流，以产生低频或直流功率。在改变开关的状态时，必须应对电路中的电压和电流。例如，开关状态由开到关时，开关中流动的电流往往会继续流动，这种现象称为“电惯性”或“电感”。当电流流到闭合的开关处时，会像海浪冲击防波堤一样“撞击”开关，造成电压突增。因此，电感越高，对半导体的冲击电压也越高。事实上，这种现象类似于水锤现象，当我们关闭水龙头时，管道中流动的液体的速度会转换成超压（这就是为什么所有管道工都会建议一定要缓慢地关闭水龙头）。

电力电路的电感还会带来其他不利影响，例如电磁干扰（EMI）。电流值一定时，大电感往往是大的无约束磁通的结果，可通过改变导体的形状和换流路径来使其降低。

叠层母线排的工作原理如下：导体的电感取决于导体的形状、换流路径的距离以及平行导体赋予的低电感几何结构：确切地说是母线排的结构。在要求将电感降低到最低限度时，在叠层母线排上以非常近的距离布置导体，在一些情况下间距小于 100µm。

一对间隔 1 mm、长 1 m 的导线，电感约为 0.4 mH。这一数值看起来较低，但在电力电子领域，要求电感在纳亨级别。母线排中相同部分的等效结构电感为 50 nH，降低了88%。此外，如果通过高端绝缘将两个导体之间的距离缩短，例如缩短 0.2 mm，则电感会被降低至 20 nH 以下。

这是显示母线排布局和能够使用简单公式进行计算的理想情况。母线排在实际应用中的形状要复杂得多，且必须满足许多其他方面的要求，如连接端子（连接至半导体器件、电容器、电力电缆或其他母线排）、所需电压水平的绝缘、足够的散热条件、元器件固定以及可生产性等。

通常在实验室或在现场测定使用的母线排的电感。在测定时需要使用高度专业化的设备，并进行精心调试。此外，必须至少生产一片试样。母线排的几何结构出现小的变动都会对电感造成较大的影响，因此，很难制造出能够经改进后用于试验和优化的试样。但在进行有限元模拟时，不用实物，并且可以在母线排的 3D 模型中轻松完成改进，方便实现低电感解决方案的快速迭代。此外，可在进行电流分配和热分析等有限元模拟的同时评估母线排的其他特性，从而得到经过高度优化的产品。在模拟母线排对其电感进行评估时，会形成一个磁场。正如我们前面所提到的，电感与磁场成正比。与此同时，在模拟时会在很宽的频率范围进行快速扫频，达到兆赫量级。这一点尤其有用，这是因为磁通量高度依赖于频率，且所有系统都是按照具体的开关频率设计的。因此按照模拟结果，定位关键的改进区域并付诸行动是很容易的。

下面罗杰斯（ROGERS）将展示如何对电感进行优化。

第一步是对进行模拟的母线排构建 3D 模型。模型中通常不包括半导体器件和电容器。使用短路装置代替电容器，从而电流可以沿低阻抗路径流动。要计算这条路径，模拟软件考虑到了所有电磁场的物理限制情况，包括高频下的邻近效应和集肤效应。在连接半导体器件时，放置了用于评估电感的探针。

下面的图片显示了母线排初步设计的 3D 模型。图中以蓝色突出显示的元件为代替电容器的短路块，以红色突出显示的元件为在这种情况下放置在中部 IGBT 连接处的探针。

模拟显示了母线排及其周围磁通量（单位：µT，探针电流仅为 1 A）较高的区域。可以观察到，IGBT 接线端子处的磁通量最高，电感也最高。电容器连接处的电感次之。系统在模拟频率为 5 kHz 时的总电感为 12.0 nH。

在放大终端区域后，可以看到终端之间的开口处有产生磁通量。因此，这就是为什么建议对这部分进行优化可以在很大程度上降低电感。

首先要进行的优化是将原设计中的弯曲终端，替换为具有连接套管的扁平端子。优化之后，可以缩小开口间隙，并将电感降低至 9.2 nH。

在后续优化中，终端之间的重叠部分会增大，这将降低该区域的磁通量，然后进一步将电感降低至 4.5 nH。

继续进行优化，处理母线排的其他区域。已经证明，经快速优化后，母线排的电感能够降低 63%，达到低于 5 nH 的数值。通过使用合适的工具，基于一定的知识和经验，有限元模拟是对叠层母线排的电感进行优化的理想方式，最终将母线排构造成电感水平最低的结构，以提高电力电子系统的性能。

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全部评论（1）

好运常伴吾 Lv8. 研究员 2021-12-31

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