叠层母排寄生电感的评估与优化（一）

时间： 2024-05-15 来源：阿基米德半导体公众号

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本系列文章将对电力电子装置中至关重要的组件 —— 叠层母排进行介绍，重点关注叠层母排寄生电感的评估与优化，共分为三期内容。本期内容对叠层母排进行初步认识，同时对换流回路中的寄生电感进行拆分与定位。

一、序言

随着新型功率半导体器件的日益成熟，新一代高性能电力电子装置将朝高频和高功率密度方向进一步发展。然而，提高开关频率会导致更高的电压电流变化率 dv/dt 及di/dt，杂散电感的影响将更加显著，不仅带来严重的电磁干扰，甚至导致功率半导体器件过压损坏。叠层母线因其固有的低杂散电感特性，为减小关断电压尖峰和电磁干扰问题提供了一个较好的解决途径。图1展示了叠层母排应用的领域。图2展示了叠层母排在功率变换器中的应用案例。

图 1 叠层母排应用领域

图 2 叠层母排在功率变换器应用案例

如图3，叠层母排由平面导体层、平面电介质及平面或三维结构件组成，与线束相比具有优异性能，叠层母排主要优点如下：

低杂散电感及阻抗，降低电压损失
降低电磁噪声，减少电磁干扰，易于安装和维护
降低系统成本，提高功率密度同时提升系统可靠性
结构简单，通流能力强

图 3 叠层母排结构

二、电路换流回路(CCL)中的寄生电感

下文以单相H桥逆变器的关断过程解释换流回路中的寄生电感。以T1关断过程为例，在T1接收到关断信号后，负载电流由T1换流至T2的续流二极管。T1的关断过程可以分为三个阶段，对应图4 (a),(b),(c), 相应的波形对应图4(d)。

图 4 换流回路1

阶段1（对应图4(a)）: 在t0时刻，T1收到关断信号。在短暂关断延时后，V_T1开始上升，在这个阶段i_T1仍等于负载电流I_L。阶段2（对应图4(b)）: 在t1时刻，V_T1上升至至V_dc，i_T1开始下降同时i_T2以相同速率di_T1/dt上升。同时优于线路寄生电感的影响，尖峰电压V_p₁产生，V_p₁可由以下公式计算：

其中l₁为换流回路1中的寄生电感。换流回路1中包括DC电容、T1、T2的续流二极管和叠层母排。对应图4b中标识，叠层母排寄生电感可以分为两部分：l_AB1和l_BC1, 由叠层母排结构和电容排布决定。

阶段3（对应图4(c)）: 在t2后，i_T1减小至0，V_T1维持在V_dc，在这个阶段，由于寄生电感l₁的存在，电压通常会发生振荡，导致电压应力和损耗上升。相似的，T2的关断过程与T1类似。但值得指出的是T3/T4关断过程的换流回路不同与换流回路1，具体见图5。

图 5 换流回路2

换流回路2有不同的寄生电感l₂，尖峰电压V_p₂可由以下公式计算：

对应图5(j) 中标识，叠层母排寄生电感可以分为两部分：l_AB2和l_AD2。因此对于换流回路1和换流回路2，叠层母排不同部分的寄生电感参与了换流回路，两部分寄生电感的不同导致了T1/T2与T3/T4应力及损耗表现不一致，从而导致应用中的结温差异，对于并联应用也具有相似原理。本系列第一期内容对参与换流回路的不同部分叠层母排的寄生电感进行了拆分与定位，方便读者对于后续内容的理解。

参考文献：

[1] Copper for Busbars - Guidance for Design and Installation, https://apqi.org/uploads/knowledge-center-file/ Design Guide on Coppe for 0Busbars.pdf

[2] C. Chen, X. Pei, Y. Chen and Y. Kang, "Investigation, Evaluation, and Optimization of Stray Inductance in Laminated Busbar," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 29, no. 7, pp. 3679-3693, July 2014, doi: 10.1109/TPEL.2013.2282621.

[3] Busbar Design Guide,https://vdocument.in/busbar-design-guide-55844d9af1e5b.html?page=1

[4] EMC design of Switching Power Converters Part 7, https://www.emcstandards.co.uk/files/1_emc_design_of_switching_power_converters_introduction.pdf

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