CN110149059A - 一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于高频逆变器技术领域，具体涉及一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法。换流回路的主母排采用叠层结构，所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，正铜排和负铜排的宽度、长度及厚度相同；根据所述主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜排的间距对主母排杂散电感的影响，确定电感期望值下的主母排的尺寸规格；在所述主母排上设置吸收电容模块，用于抑制母排电感引起的电压尖峰，降低回路等效电感；吸收电容模块包括若干个并联设置的小电容，通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收电容模块中小电容的容值；基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收电容模块中小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最终电感期望值的功率回路。

Description

一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法
技术领域
本发明属于高频逆变器技术领域，具体涉及一种高频逆变器低杂 散电感回路设计方法。
背景技术
逆变器被广泛应用于通讯、交通和电力等诸多领域，并且正在朝 着高频率、高效率和小体积的方向发展。随着逆变器对体积和效率的 要求提高，其工作频率必然要不断提高。更快的开关速度导致开关器 件对杂散电感更加敏感，在开关过程中容易带来严重的问题，如电压 应力，电磁干扰和额外的功率损耗等。因此高频逆变器对回路杂散参 数的要求更加苛刻，尤其在大功率逆变器中，为了消除杂散电感所引 起的电压过冲问题，必须尽量优化主回路的杂散参数。
现有技术也是通过设计叠层母排，也有提出吸收电容，问题在于 没有***的母排设计原则与吸收电容选取和布局原则。高频逆变器 中，开关速度快，电流变化率大，电流变化率和回路电感作用会产生 电压过冲，影响功率器件正常使用。
因此，目前对高频逆变器母排进行低感设计不***，对开关管造 成电压过冲较大是本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供一种高频逆变器低杂散电感回 路设计方法，换流回路的主母排采用叠层结构，利用镜像电流的耦合 原理降低主母排的杂散电感；另外，在主母排上设置吸收电容模块， 双管齐下，能够有效抑制开关管两端的电压过冲和电磁干扰。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，所述方法包括：
换流回路的主母排采用叠层结构，以利用镜像电流的耦合原理 降低主母排的杂散电感；所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排， 正铜排和负铜排的宽度、长度及厚度相同；根据所述主母排中铜排的 宽度、长度以及两层铜排的间距对主母排电感的影响，确定电感期望 值下的主母排的尺寸规格；
在所述主母排上设置吸收电容模块，用于抑制母排电感引起的 电压尖峰，降低回路等效电感；所述吸收电容模块包括若干个并联设 置的小电容，通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收电容模块 中小电容的容值；
基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收电容模块中 小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最终电感期望 值的功率回路。
进一步地，所述根据所述主母排中铜排的宽度、长度以及两层 铜排的间距对主母排杂散电感的影响，确定电感期望值下的主母排的 尺寸规格，具体为：
(1)通过毕奥萨伐定律和安培环路定理得到母排杂散电感计算 公式：
式中，μ0为常数，μ0＝4π×10-7H/m，b为主母排中铜排的宽度，l为主母排中铜排的长度，D为主母排中两层铜排的间距；Lbb为叠层 主母排的电感，即母排杂散电感；
(2)根据实际布局，将主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜 排的间距中的一项作为限制条件，绘制(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者 (b,l,Lbb)曲线图；
(3)在所述(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者(b,l,Lbb)曲线图中 绘制电感等值线，获得电感和(b,D)、(D,l)或(b,l)的关系式， 确定电感期望值下主母排的尺寸规格；
(4)通过Q3D做有限元仿真，提取母排电感，如果满足要求 即完成设计，如不满足，则进入步骤(2)调整限制条件，重新进行 设计。
进一步地，所述通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收 电容模块中小电容的容值，具体为：
在双脉冲测试电路的等效电路中，母排杂散电感Lbb包括Lbb1和Lbb2两部分，Lbb＝Lbb1+Lbb2；
在SiC MOSFET开关功率器件关断后，母排杂散电感Lbb与吸收 电容模块产生谐振，Lbb中储存的能量向吸收电容模块转移；
母排杂散电感释放的能量EL为：
式中，Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流；
根据电容储能公式，得到吸收电容模块中所有电容储存总能量 为：
电容吸收能量大于等于电感释放能量，得到吸收电容模块中每一 个所述小电容的电容容量C1满足：
N为吸收电容模块中所有并联小电容的个数，Ioff为开关功率器 件关断时刻瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电 感引起的尖峰电压值。
进一步地，基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收 电容模块中小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最 终电感期望值的功率回路，具体为：
(1)基于Q3D和simplorer联合仿真，建立仿真平台；
(2)测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds；
(3)计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；
(4)判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合， 确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变吸收电容模块中小电容 的数量或改变主母排的尺寸规格，返回步骤(1)，直至回路杂散电感 符合最终电感期望值。
进一步地，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的 中间以及两侧铺设绝缘材料；所述吸收电容模块中并联设置的小电容 的数量为3-6个。
本发明的有益技术效果：
回路电感包括母排电感和其他部分电感，本发明中母排设计方法 能够直接降低母排杂散电感Lbb，能够控制母排电感小于20nH；另 外，在主母排上设置吸收电容模块，吸收电容抑制母排电感Lbb和源 极电感LS引起的电压尖峰，降低回路等效电感Lloop，吸收电容并 联降低吸收电容寄生电感Lsnub，双管齐下，能够有效抑制开关管两 端的电压过冲和电磁干扰。
附图说明
图1为本发明实施例中具有叠层结构的主母排；
图2为本发明实施例中优化设计后母排结构示意图；
图3为本发明实施例中确定电感期望值下的主母排的尺寸规格 的流程图；
图4为本发明实施例中电感与主母排中铜排的宽度、长度 (b,l,Lbb)曲线图；
图5为本发明实施例中电感与主母排中铜排的宽度、两层铜排的 间距(b,D,Lbb)曲线图；
图6为本发明实施例中电感与主母排中铜排的长度、两层铜排的 间距(D,l,Lbb)曲线图；
图7为本发明实施例中主母排叠层结构示意图；
图8为本发明实施例中搭建的双脉冲测试电路图；
图9为本发明实施例中双脉冲测试电路的等效电路图；
图10为本发明实施例中基于Q3D和simplorer联合仿真，获得 符合最终电感期望值的母排流程图；
图11为本发明实施例中测试***框图；
附图标记：1.第一竖直部；2.水平部；3.第二竖直部；4.小电 容；5.开关功率器件接口；6.第一组电容接口；7.第二组电容接口； 8.母线支撑电容接口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合 附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描 述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围 上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发 明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特 定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可 以完全理解本发明。
本发明提供一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法实施例，所 述方法包括：
换流回路的主母排采用叠层结构，以利用镜像电流的耦合原理 降低主母排的杂散电感；所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排， 正铜排和负铜排的宽度、长度及厚度相同；根据所述主母排中铜排的 宽度、长度以及两层铜排的间距对主母排电感的影响，确定电感期望 值下的主母排的尺寸规格；
在所述主母排上设置吸收电容模块，用于抑制母排电感引起的 电压尖峰，降低回路等效电感；所述吸收电容模块包括若干个并联设 置的小电容，通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收电容模块 中小电容的容值；
基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收电容模块中 小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最终电感期望 值的功率回路。
优选地，在本发明实施例中，如图1-2所示，所述正铜排和所 述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述 主母排的两端向同一侧折叠，形成U型的双层折叠结构，所述U型 的双层折叠结构包括依次连接的第一竖直部、水平部和第二竖直部， 所述第一竖直部为直流输入端；
在所述水平部靠近所述第一竖直部的一侧设置第一组电容接口， 在所述第二竖直部的上端设置母线支撑电容接口，在所述第二竖直部 的下端设置第二组电容接口，在所述第一组电容接口和所述第二组电 容接口之间设置开关器件接口；第一组电容接口和所述第二组电容接 口接入所述吸收电容模块中若干个并联设置的小电容。
在本实施例中，所述根据所述主母排中铜排的宽度、长度以及 两层铜排的间距对主母排杂散电感的影响，确定电感期望值下的主母 排的尺寸规格，如图3所示，具体为：
(1)通过毕奥萨伐定律和安培环路定理计算得母排杂散电感计 算公式：
式中，μ0＝4π×10-7H/m，b为主母排中铜排的宽度，l为主母排 中铜排的长度，D为主母排中两层铜排的间距；Lbb为叠层主母排的 电感，即母排杂散电感；
(2)根据实际布局，将主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜 排的间距中的一项作为限制条件，绘制(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者 (b,l,Lbb)曲线图，如图4-6所示；
(3)在所述(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者(b,l,Lbb)曲线图中 绘制电感等值线，获得电感和(b,D)、(D,l)或(b,l)的关系式， 确定电感期望值下主母排的尺寸规格；
(4)通过Q3D做有限元仿真，提取母排电感，如果满足要求 即完成设计，如不满足，则进入步骤(2)调整限制条件，重新进行 设计。
当给的电感期望值为小于20nH时，获得主母排的尺寸规格满 足以下条件，下述条件中l，b，D均已厘米为单位进行计算：
其中，步骤(1)中，叠层母排电感计算公式的确定过程为：
参见图7，主母排的模型，通过毕奥萨伐定律和安培环路定理：
式中，I表示电流流过母排的电流；x为坐标系X轴；B表示 磁感应强度；μ0表示真空磁导率；r表示进行计算所取电流元到坐 标原点的距离；
其中，r2＝(D/2)2+x2，μ0＝4π×10-7H/m；
ψo具体表示磁通量在母排外部交链的磁通量；S表示母排面积；
当宽度b>>2D时
其中，h为主母排中铜排的厚度；母排厚度h非常小，h<<b，且 b>l/3；
简化分析：
在本实施例中，所述通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述 吸收电容模块中小电容的容值，具体为：
如图9所示，母排杂散电感Lbb包括Lbb1和Lbb2两部分， Lbb＝Lbb1+Lbb2。吸收电容只对Lbb1有作用，所以吸收电容越贴近功率 器件Lbb2就越小，直至Lbb2→0，Lbb1→Lbb，Lbb1越大，吸收后母排杂 散电感带来的冲击就越小。即理论上，开关器件接口与吸收电容接口 越近，吸收电容模块就越贴近SiC MOSFET开关功率器件，吸收后 母排杂散电感带来的冲击就越小，但是在实际工程中，受到整体布局 的限制，只能是尽量缩短两者间距离。如图2所示在本发明实施例中， 优选地，为了减小吸收后母排杂散电感带来的冲击，将所述开关器件 接口设置于第一组电容接口和第二组电容接口两组吸收电容接口之 间，与其他设置方式相比，该设置方式效果最优。
并且，在本实施例中，所述主母排仅包括正铜排和负铜排两层铜 排，能够承受较大直流电压；并且在两层铜排的中间以及两侧共设置 三层绝缘材料，很好的提高了绝缘能力，绝缘电阻>20MΩ；能够承 受的直流电压DC1000V，湿度95％。
在双脉冲测试电路的等效电路中，母排杂散电感Lbb包括Lbb1和 Lbb2两部分，Lbb＝Lbb1+Lbb2；LD是两个开关功率器件之间的杂散电感； 当SiC MOSFET开关功率器件关断时，SiC MOSFET开关功率器件两 端电压等于吸收电容模块端电压；此时，母线电容、母排杂散电感和 吸收电容模块形成串联回路；
在SiC MOSFET开关功率器件关断后，母排杂散电感Lbb与吸收 电容模块产生谐振，Lbb中储存的能量向吸收电容模块转移；
母排杂散电感释放的能量EL为：
式中，Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流；
根据电容储能公式，得到吸收电容模块中所有电容储存总能量 为：
电容吸收能量大于等于电感释放能量，得到吸收电容模块中每一 个所述小电容的电容容量C1满足：
N为吸收电容模块中所有并联小电容的个数，Ioff为开关功率器 件关断时刻瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电 感引起的尖峰电压值，其中，△U1＝Lbb*(di/dt)，通过测量电流变化率 di/dt，能够计算获得△U1。
电容容值达到一定值之后就可以完全抑制母排的杂散电感，但是 电容本身带有寄生电感，而电感越并联越小，采取多个小电容并联目 的是尽可能降低吸收电容所带来的杂散电感，但是小电容数量过多， 会占用过多的空间，同时需要更长的母排，会减弱抑制效果，甚至导 致回路杂散电感增大，所以并联吸收电容数量不宜过多。技术人员可 以根据设计指标要求自行选择并联吸收电容数量。优选地，N为根据 多次实验结果优选3-6个。
在本实施例中，如图10所示，基于Q3D和simplorer联合仿真， 确定主母排的尺寸规格以及吸收电容模块中小电容的数量，获得符合 最终电感期望值的母排，具体为：
(1)基于Q3D和simplorer联合仿真，建立仿真平台；
(2)测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds；
(3)计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；
(4)判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合， 确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变吸收电容模块中小电容 的数量或改变主母排的尺寸规格，返回步骤(1)，直至回路杂散电感 符合最终电感期望值。
在本实施例中，所述高频逆变器低杂散电感的母排的功率密度最 高能够达到15.84W/cm3；根据耐压测试实验数据，所述高频逆变器 低杂散电感的母排能够承受电压至少DC5000V。
在本实施例中，当优化设计后母排结构确定，并且吸收电容模 块中小电容的个数及容值确定后；对优化设计后母排的杂散电感进行 确定，以测试是否达到预期要求，优化设计后母排的杂散电感的测试 方法为：
(1)采用被测母排搭建双脉冲测试电路，如图8所示，所述双 脉冲测试电路包括直流电源DC、充放电控制继电器S1和S2、放电电 阻Rd、母线电容Cbus、直流母排、吸收电容模块电容值Csnub、负载电 感Lload、上管碳化硅肖特基续流二极管SBD、下管碳化硅MOSFET， 负载电感Lload与上管碳化硅肖特基续流二极管SBD并联；Lbus，Ls， Lsnub，分别为母线电容电感，源极电感和吸收电容寄生电感。进行双 脉冲测试时，首先闭合S1由给母线电容Cbus充电，然后断开S1，开 始进行测试。测试完毕后，闭合S2，可以迅速放电。图中，Rd和母 线电容以及直流电源并联；吸收电容和开关器件并联，然后和源极电 感、母线电容串联。
测量开始前，保证充放电控制继电器S1和S2都是断开的；
闭合开关S1，母线电容Cbus充电完成后进行测量；
图8是本发明实施例中所采用的测试***的框图，其中，Rd为 放电电阻，进行双脉冲测试时，首先通过充放电控制器闭合S1由高 压直流电源给母线电容Cbus充电，然后通过充放电控制器断开S1， 开始进行测试。通过触发控制器控制脉冲发生器发送脉冲信号，进行 双脉冲测试，测量波形在示波器显示，通过示波器读取测量数据，将 测量数据传送至控制平台，进行计算，即可。测试完毕后，闭合S2， 可以迅速放电。
现有技术中，杂散电感的测量方法最常用的主要为间接测量法， 但由于回路杂散电阻的存在，区间选取的不同也会对杂散电感的测量 结果带来影响。传统间接测量法测量杂散电感时读数复杂、测量不精 确以及依赖高带宽电流测量设备导致测量成本较高。而本发明所述方 法提供的确定优化设计后母排杂散电感的方法，能够测试母排设计方 法是否达到预期要求，利用谐振原理，只需测量谐振周期，即可有效 确定母排的杂散电感。该方法对开关管两端的电压过冲有较好抑制作 用，并且测试过程较传统积分法读数简便、也更为精确。其中，电容、 电感值都可通过数据手册准确获得，只需对谐振周期进行读数即可确定杂散电感值，测量结果更精确；回避了回路杂散电阻的存在导致积 分法积分区间选取不同对杂散电感的提取结果带来的影响；不需要对 电压和电流进行测量，降低了测量成本。
将本发明实施例中所述方法应用于提取一台实际的辅助逆变器 直流母排杂散电感参数，使用1200V/300A的碳化硅MOSFET器件， 在直流母线电压700V，负载电流300A的工况下进行双脉冲实验测 试，使用积分法对该叠层母排进行参数提取，根据实验结果，在未并 联吸收电容模块时回路总杂散电感为21.4nH，回路总杂散电感可表 示为Lloop＝Lbb+LS+LD+Lsnub，Lbb＝Lbb1+Lbb2；其中Lbb1和Lbb2为直流母 排杂散电感，一共13nH，LD是两个器件之间的杂散电感。并联三个 0.47uF小吸收电容后回路总杂散电感为12.4nH，并联六个0.47uF小吸收电容后回路总杂散电感降低为10.9nH。采用本实施例中所述方 法，母排设计方法直接降低母排电感Lbb，吸收电容抑制母排电感Lbb和LS引起的电压尖峰，降低回路等效电感Lloop，吸收电容并联降低 Lsnub。
并联吸收电容后如果完全抑制了Lbb1，回路总杂散电感的理想值 为21.4-13＝8.4nH，但是Lbb2是未能抑制的，另外并联吸收电容之后 会引入吸收电容自身的寄生电感，所以加吸收电容抑制后仍大于 8.4nH。另外，仿真与实验之间存在误差，在说明吸收电容效果时， 使用同一实验条件下未并联吸收电容前的回路总杂散电感21.4nH和 并联三个、六个小吸收电容后的回路总杂散电感12.4nH、10.9nH更 为合适。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，而 是要符合与本发明所公开的结构、原理和新颖特点相一致的最宽的范 围。

Claims (5)

1.一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，其特征在于，所述方法包括：
换流回路的主母排采用叠层结构，以利用镜像电流的耦合原理降低主母排的杂散电感；所述主母排包括正铜排和负铜排两层铜排，正铜排和负铜排的宽度、长度及厚度相同；根据所述主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜排的间距对主母排电感的影响，确定电感期望值下的主母排的尺寸规格；
在所述主母排上设置吸收电容模块，用于抑制母排电感引起的电压尖峰，降低回路等效电感；所述吸收电容模块包括若干个并联设置的小电容，通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收电容模块中小电容的容值；
基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收电容模块中小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最终电感期望值的功率回路。
2.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，其特征在于，所述根据所述主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜排的间距对主母排杂散电感的影响，确定电感期望值下的主母排的尺寸规格，具体为：
(1)通过毕奥萨伐定律和安培环路定理得到母排杂散电感计算公式：
式中，μ0为常数，μ0＝4π×10-7H/m，b为主母排中铜排的宽度，l为主母排中铜排的长度，D为主母排中两层铜排的间距；Lbb为叠层主母排的电感，即母排杂散电感；
(2)根据实际布局，将主母排中铜排的宽度、长度以及两层铜排的间距中的一项作为限制条件，绘制(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者(b,l,Lbb)曲线图；
(3)在所述(b,D,Lbb)、(D,l,Lbb)或者(b,l,Lbb)曲线图中绘制电感等值线，获得电感和(b,D)、(D,l)或(b,l)的关系式，确定电感期望值下主母排的尺寸规格；
(4)通过Q3D做有限元仿真，提取母排电感，如果满足要求即完成设计，如不满足，则进入步骤(2)调整限制条件，重新进行设计。
3.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，其特征在于，所述通过双脉冲测试电路的等效电路确定所述吸收电容模块中小电容的容值，具体为：
在双脉冲测试电路的等效电路中，母排杂散电感Lbb包括Lbb1和Lbb2两部分，Lbb＝Lbb1+Lbb2；
在SiC MOSFET开关功率器件关断后，母排杂散电感Lbb与吸收电容模块产生谐振，Lbb中储存的能量向吸收电容模块转移；
母排杂散电感释放的能量EL为：
式中，Ioff为开关器件关断时刻瞬态电流；
根据电容储能公式，得到吸收电容模块中所有电容储存总能量为：
电容吸收能量大于等于电感释放能量，得到吸收电容模块中每一个所述小电容的电容容量C1满足：
N为吸收电容模块中所有并联小电容的个数，Ioff为开关功率器件关断时刻瞬态电流值，Lbb为母排杂散电感值，△U1为母排杂散电感引起的尖峰电压值。
4.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，其特征在于，基于Q3D和simplorer联合仿真，并通过改变吸收电容模块中小电容的数量或通过改变主母排的尺寸规格，获得符合最终电感期望值的功率回路，具体为：
(1)基于Q3D和simplorer联合仿真，建立仿真平台；
(2)测量回路中电路变化率di/dt和电压尖峰△Uds；
(3)计算回路杂散电感：Lloop＝△Uds/(di/dt)；
(4)判断回路杂散电感是否符合最终电感期望值；如果符合，确定母排的设计方案；如果不符合，通过改变吸收电容模块中小电容的数量或改变主母排的尺寸规格，返回步骤(1)，直至回路杂散电感符合最终电感期望值。
5.根据权利要求1所述一种高频逆变器低杂散电感回路设计方法，其特征在于，所述正铜排和所述负铜排叠层放置，在两层铜排的中间以及两侧铺设绝缘材料；所述吸收电容模块中并联设置的小电容的数量为3-6个。
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