图28 优化后我司设计母排结构及仿真
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叠层母排设计能力指导
———电感部分
作者：唐英才
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寄生电感对开关器件的影响及应对方法
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。
应用
常见
2
增加功率吸收电路
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； 极少见 2. 由于IGBT往往工作在高频状态下， di/dt本身很大，降 （大功率领域） 低电流变化率往往面临实际操作的困难。
2
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寄生电感测试手段
实际测量
基于业内公认的 脉冲测试方法和寄 生电感测试平台。
非叠层面积(cm^2)
0~100 100~200 200~400
单位面积电感系数 K3(nH/cm^2)
0.008 0.013 0.032
注：1）若非叠层面积为150cm^2， 则L=100*0.008+50*0.013； 2）此表格不适用于IGBT端子的电感计算。 14
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仿真结果（非叠层路径/电容孔距离对电感的影响）
图7 叠层母排与传统铜排电感对比图
实验结果：由左图8可知，叠层母排的电感值与铜 排厚度呈正相关，从1~2.5mm每增加1mm，电感值增加 约30%。 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8 母排电感值与铜排厚度的关系图
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寄生电感相关测试（2）
成本 减少30%
优化后19.2nH
图26 优化后我司设计母排结构及仿真
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优化案例（3）
优化前60nH 电感值减少 30nH（50%）
优化案例
图27 优化前客户原母排结构及仿真
优化后30nH
应用设备：光伏逆变器（三电平） 技术参数 绝缘耐压：3500V DC 1min 2mA 额定电压：1000V DC 额定电流：300A 外形尺寸：447mm*390mm*109.2mm 优化内容：端子长度、非叠层面积。
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仿真结果（铜排厚度对母排电感值的影响）
铜板厚度（1mm) 电感3.83nH 铜板厚度（2mm) 电感5.97nH
板厚增加0.5mm 电感增加2.14nH
板厚增加0.5mm 电感增加2.10nH
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2.10nH
仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）
表4 母排不同非叠层面积对电感影响系数列表
层间距离 (mm)
0.5
不同非叠层面积（cm^2）时的电感值（nH）
0
5.97
100
6.75
200
8.46
400
11.67
1.0
7.53
8.35
0.008
10.04
0.013
13.25
0.032
单位面积电感值(nH/cm^2)
/
结论
非叠层路径对电感的 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。
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仿真结果（不同端子长度对母排电感值的影响）
该仿真过程中，端子每增加1mm,电感增加约0.6nH 31.0nH 100% 端子长：30mm 27.3nH 88% 端子长：25mm
dt Lstray △U × di
图5 寄生电感测试原理图2
（1）
序号 1
2 3 4
测试设备/器件 IGBT
示波器 高频电流探头 差分电压探头
型号 英飞凌FF600R17ME4
泰克DPO2024B 泰克TCP0150 泰克P5210A
图6 实测波形图
表1 测试设备/器件列表
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寄生电感相关测试（1）
平均每mm间距电感 增幅（nH，平均值）
结论
母排的电感值与板厚、层间距离程线 性关系，1000*1000mm尺寸的母排铜板厚度 每增加1mm电感增加约2nH,层间距离每增加 1mm电感增加约3nH。
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仿真结果（非叠层区域对母排电感值的影响）
非叠层面积（0cm^2) 电感5.97nH 非叠层面积(100cm^2) 电感6.75nH
仿真测试
基于 SildWorks 3D建模和 Ansoft Q3D 仿真软件
图2 寄生电感测试原理图1
图4 仿真视图
图3 电感测试设备
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寄生电感测试原理
（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 头测取电流的波形计算di/dt,通过下式1计算母线电感值：
图 9 压合前后叠层母排电感对比图
6可知，叠层母排的电感值与 实验结果：由左图10 可知，叠层母排的电感值与 0.5mm ，电 层间距离呈正相关，从0.5~3.5mm每增加1mm ，电感 感值增加约 10% 值增加约 10% 。。 原因分析：增间距离增加时正负极母排产生的 原因分析：层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。 磁链相互抵消的部分减少，以致其电感值增加。
为了探究是否叠层和铜牌厚度对母排电感值的影响，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，测试结果如下：
实验结果：由左图7可知，叠层母排电感值 28.03nH(平均值，下同），比传统铜排的电感132. 70nH 降低80%。 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。
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仿真结果（非叠层路径对母排电感值的影响）
表5 母排不同非叠层路径对电感影响系数列表
路径长度(mm) 电感值（nH） 电感差值（nH） 电感/长度比 （nH/mm） 60 54.02 / 80 58.95 4.93 0.246 100 61.87 2.92 0.146 120 65.63 3.76 0.188 140 69.27 3.64 0.182 平均值 61.95 3.81 0.191
每1cm^2非叠层区域 产生0.008nH电感
每1cm^2非叠层区域 产生0.017nH电感
非叠层面积(200cm^2) 电感11.67nH 非叠层面积(200cm^2) 电感8.46nH
每1cm^2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 13
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为了探究是否压合和层间距离对母排电感值的影响，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，测试结果如下：
5可知，经过压合后的母排电 实验结果：由左图9 感值28.03nH(平均值，下同），比未压合的母排电感 值32.57nH降低16.2%。 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1~1.5mm。
电感值 减少20%
优化后40nH
图24 优化后我司设计母排结构及仿真
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优化案例（2）
优化前21.4nH
优化案例
图25 优化前客户原母排结构及仿真
应用设备：APF（有源滤波器） 技术参数 绝缘耐压：4000V DC 1min 2mA 电感值 额定电压：1000V DC 减少11.5% 额定电流：750A 外形尺寸：339.5mm*316mm*27mm 优化内容：电流路径、铜板层数。
图20 优化后我司设计母排结构及仿真
33nH（端子长50mm）
23nH（端子长30mm)
结论 IGBT端子电感系数 K5约0.5（nH/mm）
优化
端子每减少1mm, 电感降低0.5nH
图21 优化前客户原母排结构及仿真
图22 优化前客户原母排结构及仿真
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相关结论
电容排到IGBT路径尽量短 中间绝缘层尽量薄
图 10
母排电感值与层间距离的关系图
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仿真结果与实测结果对比
表2 测试母排实测值与仿真值对比列表 序号 1 2 结果类型 实测结果 仿真结果 层间距离0.5mm 28.03nH(压合） 32.57nH（不压合） 28.73nH 层间距离1.5mm 37.57nH（不压合） 30.26nH
图 11 P665母排仿真界面及结果（37.96nH)
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仿真结果（不同连接方式对母排电感值的影响）
11.8nH
10.8nH
100%
90%
仿真参数
9.9nH
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 而发生改变。 8
80%
图 12 不同结构/流向对母排电感值的影响