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叠层母排在合康高压变频器上的解决方案

时间:2020-07-31来源:中国传动网

导语:​随着我国高压变频器广泛应用于我国国民经济各个行业,高压变频器朝着体积更小、结构更加紧凑、功率密度高的方向发展。

20世纪80年代以来,以IGBT为代表的双极型复合器件迅速发展,使得电力电子器件沿着高电压、大电流、高频化、模块化的方向发展。随着我国高压变频器广泛应用于我国国民经济各个行业,高压变频器朝着体积更小、结构更加紧凑、功率密度高的方向发展。在此基础上对高压变频器系统的可靠性提出了更高的要求。目前,合康高压变频器均采用叠层母排作为滤波电容与功率模块的连接部件,与传统的、笨重的、费时及麻烦的配线方法相比,使用叠层母排可以提供现代的、易于设计、安装快速及结构清晰的配电系统。

一、 高压变频器未使用叠层母排时存在的尖峰电压影响

在高压变频器功率回路中,IGBT 的关断尖峰电压是由于通过IGBT 的电流在IGBT 的关断时而产生的瞬时高电压。现以感性负载半桥电路关断过程加以说明(如图1)。

图1.png

假设Q2截止,Q1处于开通状态。若主回路为理想电路且不存在寄生电感,当Q1由导通变截止时,由于感性负载电流不能突变,将通过续流二极管D2续流,以构成电流回路。此时Q1上的电压将上升,直到它的值达到比母线电压Ed高出一个二极管的压降值才停止增加。但在实际的功率电路中存在寄生电感,如图中的等效寄生电感LS。当Q1截止时,电感LS阻止负载电流I0向Q2的续流二极管D2切换。在电感LS两端产生阻止母线电流增加的电压,它与电源电压相叠加形成尖峰电压(如图2)并加在Q1的两端。该尖峰电压一方面增加了开关损耗,在极端情况下,该尖峰电压会超过IGBT的VCES额定值,并损害IGBT。[1]

等效寄生电感分布于整个功率电路中,主要由母线寄生电感和功率模块寄生电感等组成,分布电感量越大,负载电流越大,功率开关di/dt越短,这种危害就越严重,且这种危害不会因为功率开关器的选择而消失。

二、 叠层母排对抑制尖峰电压起到的作用

高频化、大功率电压控制型功率器件在开关过程中,由于母线寄生电感和功率模块自身电感的影响,会产生很高的尖峰电压,这种尖峰电压一方面增加了开关损耗,使系统发热增加,另一方面过高的尖峰电压会影响功率模块正常工作。因此,必须将开关过程的尖峰电压限制在允许范围内。降低开关过程中尖峰电压的途径有两种:一是通过选择合适的栅极驱动电阻来减小di/dt,从而减小尖峰电压,但弊端是导致dv/dt减小,开通时间和关断时间延长,进而增加开关损耗;二是减少直流回路功率母线的分布电感(寄生电感),这种方式通常采用叠层母排来降低尖峰电压。

叠层母排(如图3),其结构是将两层或多层铜排叠在一起,铜板层与层之间用绝缘材料进行电气隔离,通过相关工艺将导电层和绝缘层压制成一个整体。它的优势是将连接线做成了扁平的截面,在同样的电流截面下增大了导电层的表面积,同时导电层之间的间隔大幅降低,由于邻近效应使得相邻导电层流过相反的电流,它们产生的磁场相互抵消,从而使得线路中的分布电感大幅降低。

图3.png

[1]杨磊,张志峰,敬小勇. IGBT关断尖峰电压抑制方法的研究. 武汉. 海军工程大学电力电子技术研究所. 2009

合康高压变频器采用设计优良的低电感叠层母排作为滤波电容与功率模块的连接部件(如图4),不仅可以大幅降低尖峰电压,还可省去吸收电路,降低IGBT的选型电压,提高了系统的可靠性及安全性。

图4.png

三、 叠层母排的其他优点

1、提高系统可靠性

传统母线因为考虑空间大小及载流情况,一般选用又厚又窄的铜排,不仅电阻大,散热差导致系统温升高,而且加工困难,安装繁琐。而使用叠层母排(如图5中新结构示意图),其结构设计简洁清晰,整体化安装,便于装配和现场维护,提高生产装配速度及降低了装配出错率,从而降低整机装配的人工成本;其次结构设计集成度高,方便产品系列化和模块化,提高产品可靠性。

图5.png

2、低阻抗,高容值,有效简化IGBT吸收电路

叠层母排采用的绝缘纸厚度相对较薄,介电常数K相对较高,所以叠层母排的电容相对较大,即相当于增加了系统电容;另外,叠层母排的物理结构特点也决定了它相对于传统母排具有均匀且高的分布电容、低的串联电感、低的系统阻抗的特性(如图6中方案1),可以有效简化IGBT吸收电路。

图6.png

3、使用更安全

局部放电是指绝缘内部产生的局部漏电现象,会导致系统绝缘快速老化,这将是高压变频器面临的一个严重的安全隐患。造成局部放电的原因有:一是大于等于直流1kV的高电压;二是不同电压等级间的内绝缘和铜板间有气隙。叠层母排的绝缘层和铜板间用胶粘剂热压后完全贴合,无任何气隙。出厂前进行100%局部放电率测试,绝缘寿命超过20年,在整个变频器使用过程中免维护,解决了变频器因长期运行而引发的安全隐患问题。

4、散热效果更佳

叠层母排较低的阻抗特性能够以更低的电压降实现高电流承载能力,加上较高的容值储存了更多的热能,所以叠层母排比传统母排更容易散热冷却,可以有效地降低系统温升。

此外叠层母排的扁平结构提供了更佳的散热效果,宽而薄的导体对系统中空气的流动十分有利。由于整体尺寸减少,系统散热的成本也随之减少。叠层母排不仅可以使系统结构更加紧凑,还可以通过圆滑设计改进热流动。

5、对抗恶劣环境

使用传统分离式母排,振动、盐雾、冰雪和粉尘环境会对母排造成安全威胁:长期振动可能造成分离式母排连接处松动解体,海上的潮气如果渗入绝缘体内将导致层间击穿,粉尘累积可能导致爬电击穿,冰雪天气可能使铜排受潮凝露,导致爬电击穿等。而使用叠层母排,高强度整体粘结保证长期不松动,同等电流下可以使铜排尽量减薄,用弹性补偿振动影响,全密闭结构防止潮气渗入,绝缘材料封装消除了爬电击穿的威胁,这些特点表明使用叠层母排可以整体提高系统对抗恶劣环境的能力。

四、 结束语

高压变频器运行时,IGBT工作在大电流的高频通断状态下,由于线路电感和器件寄生电感的存在,在IGBT关断时会产生电压尖峰施加在IGBT上,严重影响IGBT的工作状态,降低设备运行的可靠性。通过上述叠层母排的特点,叠层母排在合康高压变频器上的应用,可以有效地降低线路的分布电感,抑制尖峰电压,减小涡流热效应,大大简便设备装配及维护,对于改善变频器的整体系统性能,提高系统的可靠性十分有利。

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